Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Metastatik Olmayan (MCF-7) ve Tümörsüz (MCF-10A) Meme Kanseri Hücrelerinin AC Dielektroforez Kullanılarak Ayrılması için Mikroakışkan Cihaz

Published: August 11, 2022 doi: 10.3791/63850
Automatic Translation
1, 2, 3, 4,5
1Department of Biomedical Engineering, Foundation University Islamabad, 2College of Medical Technology, The Islamic University Najaf, 3Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz, 4Department of Engineering Mathematics, University of Bristol, 5School of Life Sciences, University of Warwick

Summary

Meme kanseri hücreleri, tümör dışı meme epitel hücrelerine kıyasla farklı dielektrik özellikler gösterir. Dielektrik özelliklerdeki bu farklılığa dayanarak, iki popülasyonun immünoterapi amacıyla ayrılabileceği varsayılmıştır. Bunu desteklemek için, MCF-7 ve MCF-10A hücrelerini sıralamak için mikroakışkan bir cihaz modelliyoruz.

Abstract

Dielektroforetik cihazlar, harici bir elektrik alanı uygulayarak numune hacmindeki kanser hücrelerinin polarizasyonu prensibini kullanarak etiketsiz, uygun maliyetli, sağlam ve doğru bir şekilde kanser hücrelerinin tespitini ve manipülasyonunu yapabilir. Bu makalede, mikroakışkan bir platformun, hücre karışımından hidrodinamik dielektroforez (HDEP) kullanılarak metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) yüksek verimli sürekli sıralanması için nasıl kullanılabileceği gösterilmektedir. Bir HDEP mikroakışkan çipinde aralarında mikron büyüklüğünde bir boşluk ile yan yana yerleştirilmiş iki elektrot arasında bir elektrik alanı oluşturarak, tümör dışı meme epitel hücreleri (MCF-10A), ana kanal içinde negatif DEP sergileyerek, uzaklaştırılabilirken, metastatik olmayan meme kanseri hücreleri, membran iletkenliğinden daha yüksek iletkenliğe sahip olmaları nedeniyle hücre ortamında askıya alındığında etkilenmeden seyrini takip eder. Bu kavramı göstermek için, farklı ortam iletkenlik değerleri için simülasyonlar yapıldı ve hücrelerin sıralanması incelendi. Parametrik bir çalışma yapılmış ve uygun hücre karışımı iletkenliği 0.4 S/m olarak bulunmuştur. Orta iletkenliği sabit tutarak, elektrik alan frekansını değiştirerek maksimum sıralama verimliliği sağlayan 0,8 MHz'lik yeterli bir AC frekansı oluşturuldu. Gösterilen yöntem kullanılarak, uygulanan AC'nin uygun hücre karışımı süspansiyon ortamı iletkenliği ve frekansı seçildikten sonra, maksimum ayıklama verimliliği elde edilebilir.

Introduction

Meme dokusu içinde ve çevresinde gelişen malign bir tümör, dünya çapında kadınlarda meme kanserinin sık görülen bir nedenidir ve kritik bir sağlık sorununa nedenolmaktadır 1. Metastaz öncesi meme tümörleri erken bir aşamada tespit edilirse cerrahi yoluyla tedavi edilebilir, ancak göz ardı edilirse, akciğerlerine, beyinlerine ve kemiklerine yayılarak hastanın yaşamı üzerinde ciddi etkileri olabilir. Radyasyon ve kimyasal bazlı tedaviler gibi daha sonraki aşamalarda sunulan tedavilerin ciddi yan etkileri vardır2. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, meme kanserinin erken teşhisinin mortalite oranını %60 oranında azalttığını bildirmiştir3. Bu nedenle, kişiselleştirilmiş erken teşhis yöntemlerine yönelik çalışmak zorunludur. Bu amaçla, bilim ve teknolojinin farklı alanlarında çalışan araştırmacılar, meme kanserinin erken teşhisi için cihazlar geliştirmek için mikroakışkanlar kullanmışlardır4. Bu yöntemler arasında hücre afinitesi mikro-kromatografisi, manyetik aktive mikro hücre ayıklayıcıları, boyut bazlı kanser hücresi yakalama ve ayırma ve çip üstü dielektroforez (DEP)5,6 bulunur. Literatürde bildirilen bu mikroakışkan teknikler, birçok tanısal ve terapötik uygulamada bir ara adım görevi gören hassas hücre manipülasyonu, gerçek zamanlı izleme ve iyi tanımlanmış örneklerin sıralanmasını sağlar5. Bu ayıklama mekanizmalarının mikroakışkanlarla entegrasyonu, hedef hücrelerin esnek ve güvenilir manipülasyonunu sağlar 7,8,9,10. Böyle bir entegrasyonun ana avantajlarından biri, nanodan mikrolitreye kadar hacimlerde sıvı numunelerle çalışabilme ve ayrıca numune sıvısının elektriksel özelliklerini manipüle edebilme yeteneğidir. Mikroakışkan cihazların içindeki askı sıvısının iletkenliğini ayarlayarak, biyolojik hücreler boyutlarına ve dielektrik özelliklerindeki farklılıklara göre sıralanabilir11,12.

Bu teknikler arasında, çip üstü DEP, biyolojik numunelerin elektriksel özelliklerinden yararlanan etiketsiz bir hücre sıralama tekniği olduğu için sıklıkla tercih edilir. DEP'nin DNA 13, RNA 14, proteinler 15, bakteri16, kan hücreleri17, dolaşımdaki tümör hücreleri (CTC'ler)18 ve kök hücreler 19 gibi biyo-örnekleri manipüle ettiği bildirilmiştir. Biyolojik numunelerin sıralanması için DEP kullanan mikroakışkan cihazlar literatür20'de kapsamlı olarak bildirilmiştir. Canlı ve canlı olmayan maya hücrelerini sıralamak için rezervuar bazlı DEP mikroakışkan (rDEP) cihazlarının, hücreleri elektrokimyasal reaksiyonların olumsuz etkilerinden koruduğu bildirilmiştir21,22. Piacentini ve ark., kırmızı kan hücrelerini trombositlerden% 97 verimlilikle ayıran bir kastellenmiş mikroakışkan hücre sıralayıcısı bildirmiştir 23. Asimetrik deliklere ve gömülü elektrotlara sahip çip üstü DEP cihazlarının da canlı ve canlı olmayan hücreleri sıraladığı bildirilmiştir24. Valero ve Demierre ve ark.,25,26 kanalının her iki tarafına iki mikroelektrot dizisi ekleyerek kastellenmiş mikroakışkan hücre sıralayıcısını değiştirdi. Bu, kanalın merkezindeki hücrelerin odaklanmasına yardımcı oldu. Zeynep ve ark., MCF7 meme kanseri hücrelerini lökositlerden ayırmak ve konsantre etmek için DEP tabanlı bir mikroakışkan cihaz sunmuşlardır27. MCF7 hücrelerini lökositlerden% 74-98 arasında, 1 MHz frekansında ve 10-12 Vpp arasında değişen bir voltajla ekstrakte etme verimliliğini bildirdiler. Ek Tablo 1, DEP tabanlı mikroakışkan ayıklama cihazları arasında tasarımlarına, elektrot konfigürasyonlarına ve çalışma parametrelerine (uygulanan frekans ve voltaj) göre nitel ve nicel bir karşılaştırmayı temsil etmektedir.

Daha yakın zamanlarda, araştırmacılar mikroakışkan bir çip28,29 içindeki meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) ve metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) dielektrik davranışlarındaki farklılıkları ölçmeye çalışmışlardır. Jithin ve ark. ayrıca, 200 MHz ile 13.6 GHz30 arasındaki frekanslara sahip açık uçlu bir koaksiyel prob tekniği kullanarak farklı kanser hücre hatlarının dielektrik yanıtlarını karakterize etmişlerdir. MCF-7 ve MCF-10A hücre hatlarının dielektrik yanıtlarındaki bu farklılıklar, bunları çalışma zamanında ayırmak için kullanılabilir ve kişiselleştirilmiş erken evre tanı cihazlarının geliştirilmesine yol açabilir.

Bu makalede, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) AC dielektroforezi kullanılarak kontrollü olarak sıralanmasını simüle ediyoruz. Elektrik alanındaki değişim bölgesi, mikroakışkan çipin içindeki sıralamayı etkiler. Önerilen tekniğin uygulanması kolaydır ve sıralama tekniğinin çeşitli mikroakışkan çip düzenlerine entegre edilmesine izin verir. Metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin ayrılmasını, hücrelerin askıya alındığı sıvı ortamın iletkenliğini değiştirerek incelemek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda, iletkenliği sabit tutarak ve uygulanan frekansı değiştirerek, kanser hücreleri ile sağlıklı hücrelerin ayrılmasının kontrol edilebileceği gösterilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

NOT: Buradaki protokol, AC dielektroforezi kullanarak metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) kontrollü sıralamasını simüle etmek için bir multifizik simülasyon yazılımı olan COMSOL'u kullanır.

1. Talaş tasarımı ve parametre seçimi

  1. Multifizik yazılımını açın ve Boş Model'i seçin. Genel Tanımlar'a sağ tıklayın ve Parametreler'i seçin. Tablo 1'de verilen parametreleri genel tanımlara metin dosyası olarak alın veya değerleri tek tek girin.
  2. Giriş sekmesinden Bileşen Ekle'yi seçin ve bir 2B Bileşen ekleyin. Geometriye sağ tıklayın ve dosyaya çift tıklayarak model dosyasını içe aktarın.
  3. Boş bir malzeme seçin ve Tablo 1'deki malzeme özelliklerini kullanın.
  4. Giriş sekmesinden Fizik Ekle'yi seçin ve AC/DC yazın. AC / DC düğümü altında, elektrik akımlarını, elektrik alanlarının ve akımlarının alt düğümü altında Fizik olarak seçin.
  5. Elektrik Akımına sağ tıklayın ve elektrotlara potansiyel atamak üzere kanal duvarlarını yalıtmak için Akım Koruma, Yalıtma ve Elektrik Potansiyeli alt düğümlerini seçin.
  6. Giriş sekmesinden Fizik Ekle'yi seçin ve Akışkan Akışı düğümü altında, Tek Fazlı Akış alt düğümü altında Sürünen Akış Fiziği'ni seçin. Tek Fazlı Akış'a sağ tıklayın ve Duvar alt düğümünü kullanarak çip sınırlarını duvar olarak oluşturun.
  7. Tek Fazlı Akış'a sağ tıklayın ve iki giriş alt düğümü ve bir çıkış alt düğümü ekleyin.
  8. Giriş alt düğümünü kullanarak girişleri atayın ve Akış Hızı'nda Sınır Koşulu olarak normali kullanın. Çıkış alt düğümünü kullanarak çıkışı atayın.
  9. Giriş sekmesinden Fizik Ekle'yi seçin ve Akışkan Akışı düğümü altında, Parçacık İzleme alt düğümü altında Parçacık İzleme Akış Fiziği'ni seçin.
  10. Parçacık İzleme düğümüne sağ tıklayın ve alt düğümler duvarı, iki parçacık özelliği alt düğümü, iki giriş alt düğümü, bir çıkış alt düğümü, iki dielektroforez kuvveti alt düğümü ve bir sürükleme kuvveti alt düğümünü ekleyin.
    1. Parçacık Özellikleri alt düğümünü kullanarak hem MCF-7 hem de MCF-10A hücreleri için Partikül Özellikleri'ni ayarlayın. Global Definition (Genel Tanım) bölümünün altındaki parametrelerden partikül özelliklerini seçin.
    2. Dielektroforetik kuvveti her iki hücre türüne de atamak için Sürükleme Kuvveti alt düğümünü ekleyin.
    3. Bu durumda parametre bölümünden Parçacık Özellikleri ekleyin. Memeli hücrelerini modellemek için Shell alt düğümünü ekleyin.
  11. Giriş sekmesinden Mesh Ekle'yi ve ardından İnce Mesh'i seçin. Bir ağ oluşturmak için giriş sekmesinden Mesh Oluştur'u seçin.
  12. Ana sayfa sekmesinden, üç etüt adımı eklemek için Etüt Ekle'ye tıklayın. Çalışma Adım 1 , bir frekans tepkisini simüle etmek içindir; bir Frekans Etki Alanı alt düğümü kullanın.
    1. Sürünen akışı simüle etmek için bir Sabit Etüt düğümü seçin. Dielektroforetik kuvvetle ve dielektroforetik kuvvet olmadan koşulları simüle etmek için zamana bağlı iki adım ekleyin.
    2. Dielektroforetik olmayan koşul için Fizik ve Değişken Seçimi'ni seçin, etüt adımı için Model Yapılandırmasını Değiştir başlıklı kutuyu işaretleyin ve Dielektroforetik Adım'ı devre dışı bırakın. Dielektroforetik koşullar için devre dışı bırakmayın. Dosyayı kaydedin ve simülasyonun çalışması için Hesaplama'ya basın.
      NOT: Metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) sıralanması için tasarlanan mikroakışkan çip, Ek Şekil 1 ve Ek Şekil 2'de gösterildiği gibi, sırasıyla 20 μm ve 40 μm genişliklerde hücre karışımı akışı ve hidrodinamik akış odaklama için iki ayrı girişe sahiptir.
    3. Frekans Alanı alt düğümü altında frekans (f0) ve Elektrik Potansiyeli alt düğümünü kullanarak sıralama odasının üst yan duvarı boyunca yerleştirilen planya elektrotlarına (295 μm genişliğinde) voltaj atayın. Çıkışta, sıralanmış parçacıkları görselleştirmek için "donma" duvar koşulunu kullanın.

2. Matematiksel model ve hesaplamalı analiz

  1. Bir hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) çalışması ayarlayarak mikroakışkan cihaz içindeki metastatik olmayan meme kanseri hücrelerini ve tümör olmayan meme epitel hücrelerini ayırmak için çalışma parametrelerini doğrulayın.
    NOT: Bu amaçla Multifizik yazılımı (AC/DC, Microfluidics ve Particle Tracking modülleri) kullanılmıştır. Yönetim denklemleri ve teorik arka plan Ek Dosya 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir. Model, Tablo 1'de özetlenen literatür 31,32'de bildirilen metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) dielektrik özellikleri kullanılarak test edilmiştir.
  2. Metastatik olmayan meme kanseri (MCF7) ve tümör dışı meme epiteli (MCF-10A) hücre hatlarını hücre karışımı girişinde 1: 1 oranında tanıtarak CFD simülasyonlarını gerçekleştirin.
    1. Başlangıçta, simülasyonlar33 için ağ boyutunu optimize etmek üzere bir ağ bağımsızlığı etüdü gerçekleştirin.
      NOT: Çalışma parametreleri için en iyi çözümü bulmak amacıyla bir ağ bağımsızlığı çalışması yapılmıştır. Çözümün yakınsaması için mümkün olan en iyi eleman boyutunu ölçmek üzere beş farklı örgü boyutundan oluşan bir set seçildi. Ek Şekil 3A'da gösterildiği gibi, bir ağı tanımlayan toplam eleman sayısı 635 (daha kaba ağ) olduğunda, sıralama verimliliğinin en düşük seviyede olduğu, MCF7 hücrelerinin bir kısmının Ek Şekil 3B'de gösterildiği gibi alt çıkışa hareket ettiği gözlenmiştir. Örgü boyutu ince olacak şekilde artırıldığında, ağı tanımlayan elemanların sayısı da 2.288'e yükseldi. Bu durumda ayıklama verimliliği maksimumdaydı, hem MCF7 hem de MCF-10A hücreleri kendi çıkışlarına doğru hareket ediyordu. Daha ince ağ da simüle edildi ve ağı tanımlayan elemanların sayısı 3.188'e yükseldi. Ayıklama verimliliği bu noktadan sonra da etkilenmedi. Bu nedenle, ince ağ boyutunun bizim durumumuzda en iyi şekilde çalıştığını güvenle söyleyebiliriz.
    2. İki CFD etüdü setini çözün.
    3. İlk set için, Etüt 1'e sağ tıklayın ve Parametrik Süpürme alt düğümünü ekleyin. Süpürme değişkeni olarak akışkan ortam iletkenliği "σm" eklemek için + işaretine basın. Akışkan ortam iletkenliği σ için 0,01 S/m ile 2,5 S/m arasında değişen parametrik bir süpürme etüdü gerçekleştirin ve uygulanan frekansı, f (Hz)'yi 800 kHz değerinde sabit tutun.
    4. İkinci set için, uygulanan AC frekansını 100 kHz'den 100 MHz'e değiştirerek bir Parametrik Süpürme çalışması yürütün ve akışkan ortamın iletkenliğini, σ m, her durum için 0,4 S /m'de sabit tutun. Bu σm değeri, ilk CFD çalışmasının sonuçlarına dayanarak seçilmiştir, çünkü bu değerde MCF-7 ve MCF-10A arasında maksimum bir ayrım gözlenmiştir.
    5. İletken bir ortamda dielektrik küresel bir parçacık üzerinde uygulanan dielektroforez (DEP) kuvvetinin, FDEP'nin (-) kuvveti, Denklem 1T34 tarafından verilir:
      FDEP Equation 1 [1]
      Dielektroforetik kuvvet alt düğümü altında Denklem 1'i kullanın. Denklem 1'de r, F DEP'nin uygulandığı parçacığınyarıçapınıgösterir; K (-) Clausius-Mossotti faktörü olarak bilinir; εm(-) ortamın dielektrik geçirgenliğini gösterir; ve E (V / m), elektrik alanının kök ortalama kare değeridir.
    6. Dielektroforetik kuvvet alt düğümü altındaki küresel bir parçacık için Denklem 2'yi kullanın.
      Equation 2[2]
      Denklem 2'de, Equation 3 (-) DEP kuvvetinin uygulandığı parçacığın karmaşık geçirgenliğini gösterir; Equation 4 (-) parçacığı çevreleyen sıvının karmaşık geçirgenliğini gösterir. Karmaşık geçirgenlik Equation 3 ve Equation 435 aşağıdaki gibi tanımlanmıştır:
    7. Dielektroforetik kuvvet alt düğümü altındaki küresel bir parçacık için Denklem 3'ü kullanın:
      Equation 6[3]
      Denklem 3'te,p (-) ε, parçacığın karmaşık geçirgenliğinin gerçek kısmını gösterir; εm (-), parçacığı çevreleyen sıvının karmaşık geçirgenliğinin gerçek kısmını gösterir; σp (S/m) parçacık iletkenliğini gösterir; σ m (S /m ), parçacığı çevreleyen ortamın iletkenliğini gösterir; ve ω (Hz), uygulanan elektrik alanının frekansıdır.
      NOT: Re(K) işareti, FDEP'nin polaritesini belirler. Eğer Re(K) işareti negatifse, parçacık negatif bir dielektroforetik kuvvet (nDEP) yaşar; Bunun aksine, Re(K) işareti pozitifse, pozitif bir dielektroforetik kuvvet (pDEP) anlamına gelir. Clausius-Mossotti faktörü (K) için, varyasyon -1 ila 1 aralığındadır.
  3. Daha karmaşık ve çok katmanlı bir yapıya sahip olan memeli hücreleri gibi biyolojik hücreleri modellemek için Denklem 3'ün değiştirilmiş bir formunu kullanın.
    K (Equation 7) = Equation 8 [4]
    Denklem 4'te Equation 9 (-) hem sitoplazmanın karmaşık geçirgenliğini, Equation 10 (-) hem de hücre zarının Equation 11 karmaşık geçirgenliğini (-) içerir ve aşağıdaki gibi verilir:36
  4. "Equation 12" çözmek için Denklem 5'i kullanın:
    Equation 13[5]
    Denklem 5'te, R sitosu (m) ve Rmem (m) sırasıyla hücre sitoplazmasının ve hücre zarının yarıçapını gösterir.
  5. Ardından, hem kanser hem de sağlıklı hücreler için uygulanan elektrik alanının bir fonksiyonu olarak Re(K)'yi çizmek için Denklem 4'ü kullanın. Parçacığın deneyimlediği dielektroforetik kuvveti (DEP) ölçmek için Clausius-Mossotti (CM) faktörünün gerçek kısmı olan Re (K) 'yi hesaplayın.
  6. Sonuçlar düğümüne sağ tıklayın, Parçacık Değerlendirme alt düğümünü ekleyin ve parçacık 1 için CM faktörünü çizmek üzere ifade bölümüne fpt.deff1.K ve parçacık 2 için fpt.deff2.K yazın.
    NOT: Ana metinde listelenen tüm protokol adımları protokol videosunda görüntülenebilir (Video 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Metastatik olmayan meme kanseri (MCF-7) ve tümör dışı meme epitelyal (MCF-10A) hücrelerinin DEP tabanlı etkili bir şekilde sıralanması için optimal operasyonel parametrelerin araştırılması
Dielektroforez sırasında metastatik olmayan meme kanseri (MCF-7) ve tümör dışı meme epitelyal (MCF-10A) hücrelerinin dielektroforez sırasında farklı dielektrik özelliklere sahip başarılı bir şekilde ayrılmasını sağlamak için, uygulanan frekans37,38 sabit tutularak K faktörleri ayırt edilmelidir. Metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin dielektrik yanıtlarının uygulanan bir elektrik alan altında ölçülmesi ve her iki hücre hattı için uygulanan frekansın bir fonksiyonu olarak "K" faktörünün hesaplanması Denklem 4 kullanılarak sağlanmıştır. Şekil 1'de gösterilen sonuçlar, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin tüm dielektrik parametrelerinin sabit tutulmasıyla üretilirken, elektrik alanın uygulanan frekansı, hücre süspansiyon ortamının üç farklı iletkenlik değeri olan σm için değiştirilmiştir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, her durumda, K'nın değeri, önceki çalışmalarla uyumlu olarak -1 ila 1 aralığındadır39,40. Bununla birlikte, hem metastatik olmayan meme kanseri hücreleri (MCF-7) hem de tümör dışı meme epitel hücreleri (MCF-10A) için gerçek (K) ile frekans arasındaki grafik, orta iletkenliğin değerine (σm) göre değişir. Şekil 1'de gösterilen sonuçlar, MCF-7 hücreleri için σm'nin Re(K) üzerindeki etkisinin41 olarak ölçüldüğü yeni bir çalışma ile uyumludur.

Figure 1
Resim 1: Clausius-Mossotti faktörü. Clausius-Mossotti faktörünün gerçek kısmı, K, frekansın bir fonksiyonu olarak çizilmiş, (A) σ m = 0.01 S /m iletkenliği ile karakterize edilen bir ortamda asılı olan MCF-7 ve MCF-10A hücreleri için; (B) σ m = 0,4 S/m ; (C) σ m = 1,2 S/m . Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 1, MyDEP aracı kullanılarak üç farklı σm değeri için, uygulanan AC frekansını 100 kHz'den 100MHz'e kadar tutarak ve değiştirerek çizilmiştir. Başlangıçta, σ m 0.01 S /m olarak seçildi ve uygulanan AC frekansı Şekil 1A'da gösterildiği gibi 100 kHz ile 100 MHz arasında değiştirildi. 100 kHz'lik uygulanan bir AC frekansında, MCF-10A hücreleri için Re (K) değerinin 0.82 olduğu ortaya çıktı, bu da pozitif dielektroforez (pDEP) yaşadıkları ve yüksek elektrik alan mukavemetine sahip bir alana doğru hareket etmeleri gerektiği anlamına geliyor. Benzer şekilde, 100 kHz'deki MCF-7 hücreleri de 0.76 Re(K) değerine sahip pDEP ile karşılaşırlar. Frekans 100 kHz'lik adımlarla arttırıldı ve her iki hücre tipi için CM faktörünün değeri, uygulanan frekans spektrumu boyunca pozitif tarafta kaldı. Diğer tüm çalışma parametrelerini sabit tutarak, Şekil 1B'de gösterildiği gibi Re(K)'yi çizmek için ortam iletkenliği 0,4 S/m'ye yükseltildi. MCF-10A ve MCF-7, 100 kHz'de sırasıyla -0.46 ve -0.31 Re(k) değerleri ile negatif dielektroforez (nDEP) davranışı göstermiştir. Frekans 0.8 MHz'e yükseldiğinde, MCF-10 hücrelerinin DEP yanıtı değişti ve 0.014 Re (K) değeri ile pDEP yaşadılar. MCF-7 hücrelerinin bu davranışı, hücre zarı ile çevresindeki hücre süspansiyon ortamı39,41 arasındaki arayüzdeki Maxwell-Wagner polarizasyonundan kaynaklanır. DEP yanıtındaki bu değişimin gözlendiği frekans, Şekil 1A42,22'de gösterildiği gibi çapraz frekans olarak bilinir. MCF-7 hücreleri, bu durumda, nDEP yaşadı. Frekans 100 MHz'e kadar daha da artırıldı, ancak her iki hücre tipi de DEP davranışlarını değiştirmedi ve bu nedenle uygulanan elektrik alan frekansındaki değişikliklerden etkilenmedi. İletkenlik 1.2 S / m'ye yükseltildiğinde, MCF-10A ve MCF-7 hücreleri 100 kHz'de nDEP yaşadı. MCF-10A ve MCF-7 hücreleri için Re(k) değerleri, bu durumda, Şekil 1C'de gösterildiği gibi, sırasıyla -0.49 ve -0.43 idi. Frekans 0.8 MHz'e yükseldiğinde, hücrelerin DEP yanıtı, nDEP yaşamaya devam ettikleri için değişmedi. Hem MCF-7 hem de MCF-10A hücre hatlarının yüksek hücre süspansiyon orta iletkenlik değerlerindeki negatif DEP davranışı, daha önce bildirilen çalışmalarla uyumludur 39,43,44. Hücrelerin ilk çapraz frekanstan daha yüksek frekanslardaki DEP davranışı, sitoplazmik iletkenlik ile askıya alma çözeltisi45,46 arasındaki etkileşim tarafından yönetilir. Öte yandan, ilk çapraz frekanstan daha düşük frekanslarda, hücrelerin dielektrik tepkisi, hücre zarı iletkenliği ile hücre süspansiyon ortamı arasındaki etkileşim ile belirlenir.

Şekil 1'de gösterilen sonuçlara dayanarak, COMSOL simülasyonları oluşturulmuştur. Başlangıçta, elektrik alan kuvveti, Şekil 2'de gösterildiği gibi bu simülasyon yazılımı kullanılarak ölçüldü. Sıralama kanalının üst duvarına yan yana yerleştirilmiş iki elektrot tarafından üretilen toplam elektrik alanının büyüklüğünün maksimumunun elektrot kenarlarının yakınında bulunduğu görülebilir. Oklar elektrik alanının yönünü gösterir.

Figure 2
Resim 2: Elektrik alan kuvveti. İki elektrot tarafından üretilen elektrik alanı yan yana yerleştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

MCF-7 ve MCF-10A hücrelerini sıralamak için simülasyonlar, uygulanan AC frekansını 0,8 MHz'de (çapraz frekans) sabit tutarak ve σ m değerini değiştirerek kuruldu. σm için üç değer, Şekil 1'de gösterilen Re(K) grafiklerine uygun olarak seçilmiştir. Başlangıçta, σ m 0.01 S /m olduğunda, her iki hücre tipi de pozitif DEP yaşadı, yüksek elektrik alan mukavemeti bölgesine doğru hareket etti ve Şekil 3A'da gösterildiği gibi üst prizden dışarı çıktı. Her iki hücre hattı için sitoplazmik iletkenlikler σsitoplazma, bu özel durumda orta iletkenlikten σm'den daha yüksekti, böylece her iki hücre hattını da mikroakışkan kanal47'nin üstündeki elektrotlara yaklaşmaya zorladı. MCF-10A hücrelerinin DEP tepkisi değişti ve uygulanan frekans 0.8 MHz'de sabitlenerek σm 0.4 S / m'ye yükseltildiğinde negatif DEP yaşadılar. Şekil 3B, MCF-10A hücrelerinin üst çıkışa hareket ettiğini, MCF-7 hücrelerinin ise alt çıkışa hareket ettiğini göstermektedir. Bu ayrımın nedeni, MCF-7 hücrelerinin MCF-10A'ya kıyasla daha polarize olmasıdır, çünkü sitoplazmik iletkenlikleri σsitoplazmaları, hücre sıralama videosunda (Video 2) gösterildiği gibi,m'σ orta iletkenlikten daha büyüktür.

Figure 3
Şekil 3: Sabit frekanslı hücre sıralama. MCF-7'nin simülasyonu ve DEP ile zaman içinde sağlıklı hücre ayrılması mikroakışkan cihaz tasarlanmıştır. MCF-7 ve askıya alınmış ortamın üç farklı iletkenlik değerinde sağlıklı hücre ayrımı: (A) 0.01 S / m; (B) 0,4 S/m; (C) 1,2 S/m. Her durumda, uygulanan frekans 0.8 MHz, uygulanan voltaj Vpp 1.5 V ve enjeksiyon girişindeki akış hızı akış odaklama girişinde 184 μm / s ve 853 μm / s idi. Simülasyonda, MCF-7 hücreleri ve MCF-10A hücreleri sırasıyla mavi ve kırmızı dairelerle temsil edilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Orta iletkenlik 1.2 S / m'ye daha da arttırıldığında, hem MCF-7 hem de MCF-10A hücreleri, daha düşük sitoplazmik iletkenlik σsitoplazma değerleri nedeniyle onları çevreleyen ortamdan daha az polarize edilebilir hale geldi. Sonuç olarak, nDEP yaşadılar ve Şekil 3C'de gösterildiği gibi yüksek elektrik alanı bölgelerinden uzaklaştılar.

Bu sonuçlar, ortamın iletkenliğinin, MCF-7 metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin DEP'ye dayalı MCF-10A tümör dışı meme epitel hücrelerinden ayrılmasında önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Ayrıca, Şekil 3B'de gösterildiği gibi, etkili bir ayırma elde etmek için, ortam iletkenliğinin, hücrelerin ilgili dielektrik özelliklerine bağlı olarak pDEP veya nDEP deneyimleyecekleri şekilde ayarlanması gerekir.

Son olarak, uygulanan dielektroforetik kuvvetin, FDEP'nin, her iki hücre hattının sıralama davranışı üzerindeki etkisi, ortam iletkenliği 0.4 S / m'de sabit tutularak araştırılmıştır. FDEP, uygulanan elektrik alanının frekansının bir fonksiyonudur48,49 ve uygulanan elektrik alanının frekansı değiştikçe, hücreler DEP davranışlarını değiştirir. Simülasyonlara frekans 100 kHz'de ayarlanarak başlanmış ve hem MCF-10A hem de MCF-7 hücre hatlarının nDEP yaşadığı ve Şekil 4A'da gösterildiği gibi yüksek elektrik alanı bölgesinden alt çıkışa doğru uzaklaştığı gözlenmiştir. Frekans arttıkça, MCF-10A'nın DEP davranışını değiştirdiği ve pDEP bölgesine geçtiği 0,8 MHz'e kadar her iki hücre hattının DEP davranışı değişmeden kaldı. Bu, Şekil 4B'de gösterildiği gibi, incelenen DEP yanıt hücreleri ile maksimum sıralama verimliliği arasındaki maksimum ayrıma sahip noktadır. Frekans 100 MHz'e yükseltildiğinde, her iki hücre hattının da pDEP yaşadığı ve Şekil 4C'de gösterildiği gibi üst çıkışa doğru hareket ettiği gözlenmiştir. 0.8 MHz'in üzerindeki daha yüksek frekanslarda, hücreler kanal duvarlarında hareketsiz hale gelmeye başladı. Kanal duvarlarındaki hücrelerin immobilizasyonu, sıralama işlemi sırasında hücre kaybına neden olabilir ve bu da cihazın genel verimliliği üzerinde bir etkiye sahiptir. Bu kuvvetlerin etkisi, daha uzun süre maruz kalırsa hücre canlılığında ciddi kayıplara neden olabilir. Yang ve ark., DEP kuvvetlerinin bir Listeria monocytogenes hücre hattı üzerindeki etkisini, onları 5 MHz'lik bir AC elektrik alanına ve 20 VPP50'lik bir pik ila pik voltaja maruz bırakarak ölçtüler. Sonuçları, 4 saat boyunca DEP kuvvetinin etkisi altında tutulduğunda% 56-89'luk canlı bir hücre kaybına işaret etti. Benzer şekilde, DEP kuvvetlerinin polarize edilebilir bir ortamda askıya alındığında hücrelerin hareketi üzerinde bir etkisi olduğu ve hücreleri hareketsiz hale getirmek için kullanıldığı bildirilmiştir. Ettehad ve ark., maya hücrelerini immobilize etmek için 1 MHz ve 20 VPP'lik bir AC frekansı kullanan interdigite elektrotlara (IDE'ler) sahip mikroakışkan bir cihaz bildirmiştir51. Maya hücrelerinin immobilizasyonunun, IDE'leri ile uygulanan voltaj arasındaki aralığın en boy oranına bağlı olduğunu gösterdiler. IDE aralığının en boy oranındaki artış, hücre immobilizasyonunda keskin bir azalmaya neden oldu ve IDE'ler arasında daha büyük boşluk olan cihazlarda hücreleri hareketsiz hale getirmek için daha yüksek VPP gerekliydi. Hücre immobilizasyonu, hücrelerin analiz veya büyüme için tuzağa düşürülmesi gerektiğinde istenen bir uygulamadır. Önceki sonuçlar, uygulanan AC frekansının ve voltajının hücre immobilizasyonu üzerinde bir etkisi olduğunu açıkça göstermiştir. Yüksek verimli sıralama veya taramanın istenen sonuç olduğu uygulamalarda, hücre immobilizasyonu hücre kaybına neden olur ve cihazın çıktı verimliliğini azaltır.

Uygulanan frekans ve voltajın hücre immobilizasyonu üzerindeki etkisini ölçmek için, 1.5 V PP'lik sabit bir uygulanan voltajdakilohertz'den megahertz'e frekans aralığına kadar bir dizi simülasyon çalıştırıldı. Sonuçlar Ek Şekil S4'te gösterilmiştir. Sonuçlar, kHz aralığındaki frekanslarda, kanal duvarlarındaki hücrelerin hareketsizliğinin, MHz aralığındaki frekanslara kıyasla çok daha az olduğunu ortaya koydu. DEP kuvveti, uygulanan AC frekansı ile doğru orantılı olduğundan, yüksek DEP kuvvetinde, hücrelerin immobilizasyonunun daha belirgin olduğu sonucuna varabiliriz. Bu mikroakışkan cihaz için, MCF7 ve MCF-10A hücrelerinin sıralanması sırasında, 0.8 MHz'den daha yüksek frekanslarda çalışması gerektiğinden bir hücre kaybı olacaktır. Girişteki hücrelerin rastgele dağılımının etkisi, rastgele bir dağılım sınır koşulu seçilerek daha fazla araştırılmıştır. Bu durumda, Ek Şekil 5'te gösterildiği gibi daha fazla hücre-kanal duvarı etkileşimi gözlenmiştir.

Figure 4
Şekil 4: Sabit ortam iletkenliğine sahip hücre sıralama. Uygulanan AC alanının frekansının metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) mikroakışkan cihazda ayrılması üzerine etkisi simüle edilmiştir. (A) f= 100 KHz; (B) f= 0,8 MHz; (C) f= 100 MHz. Akışkan ortam iletkenliği σ m = 0,4 S/m olarak sabitlenmiştir.

Simülasyon için dielektrik özellikler εsitoplazma σsitoplazma
(S/m)		 εmembran σmembran
(S/m)
MCF-7 Serisi 50 0.8 11 6× 10-6
MCF-10A 100 0.1 11 6
f0 800 [kHz] 1,2 x 103 Hz Elektrik alanın frekansı
sigma_f 0,4 [S/m] 0,8 S/m Akışkan ortam iletkenliği
epsilon_f 80 80 Sıvı bağıl geçirgenliği
rho_f 1000 [kg/m3] 1000 kg/m³ Akışkan yoğunluğu
mu_f 1 x 10-3 [Pa·s] 0,001 Kişi Akışkan dinamiği viskozitesi
rho_p 1050 [kg/m3] 1050 kg/m³ Partikül yoğunluğu
dp1 17 [μm] 1,7 x 10-5 m Partikül çapı
dp2 16 [um] 1,6 x 10-5 m Partikül çapı
sigma_p1 0,8 [S/m] 0,6 S/m Partikül iletkenliği
sigma_p2 0,1 [S/m] 1,1 Sn/dk. Partikül iletkenliği
epsilon_p1 50 55 Sağlıklı göreceli geçirgenlik
epsilon_p2 100 65 Kanser göreceli geçirgenliği
sigma_s1 6 x 10-6 [S/m] 6 x 10-6 S/m Kabuk elektrik iletkenliği
sigma_s2 6 [S/m] 6 Sn/dak Kabuk elektrik iletkenliği
epsilon_s1 11 11 Kabuk göreli geçirgenliği
epsilon_s2 11 11 Kabuk göreli geçirgenliği
th_s1 7 [nm] 7 x 10-9 m Kabuk kalınlığı
th_s2 7 [nm] 7 x 10-9 m Kabuk kalınlığı

Tablo 1: Çalışma parametreleri. MCF-7 ve MCF-10A'nın dielektrik özellikleri

Video 1: Protokol adımlarını gösteren bir video. Bu videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Video 2: Hücre sıralama videosu. Bu videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Dosya 1: Yönetim denklemleri ve teorik arka plan. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Şekil 1: Cihaz tasarımı ve parametreleri. Cihazın farklı parçalarını vurgulayan mikroakışkan cihaz tasarımı. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Şekil 2: Elektrotlar arasındaki boşluk. İki yama elektrodu arasındaki boşluk. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Şekil 3: Mesh bağımsızlık çalışması. Farklı örgü boyutlarının MCF-7 ve MCF-10A hücrelerinin sıralanması üzerindeki etkisini gösteren bir ağ bağımsızlığı çalışması. (A) Mikroakışkan cihaz için, her bir ağ için eleman sayısını gösteren farklı ağ boyutları. Ağı oluşturan elemanların sayısı daha kabadan daha ince ağa yükselir. (B) MCF7 ve MCF-10A hücrelerinin diğer tüm çalışma parametrelerini sabit tutarak farklı ağ boyutlarında sıralanması. İnce ve ince örgü boyutları, sıralama için en iyi sonuçları verir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Şekil 4: Hücre immobilizasyonu ve rastgele dağılım testi. DEP kuvvetinin hücre immobilizasyonu üzerindeki etkisini doğrulamak için 10 KHz ile 6 MHz arasındaki frekanslar için yapılan simülasyonlar. (A) f = 10 kHz'de, hiçbir sıralama ve hücre immobilizasyonu gözlenmez. (B) f = 200 kHz'de sıralama ve hücre immobilizasyonu gözlenmez. (C) f = 0.8 MHz'de, çıkış duvarlarında sıralama ve hücre immobilizasyonu gözlenir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Şekil 5: Rastgele dağılım. Çipin girişinde rastgele dağılmış parçacıklar. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Tablo 1: Farklı DEP tabanlı mikroakışkan ayıklama cihazlarının karşılaştırılması. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mikroakışkan cihazlar daha önce hücre kültürü, yakalama ve sıralama 47,52,53 için bildirilmiştir. Bu cihazların temiz odada üretilmesi pahalı bir işlemdir ve CFD simülasyonları yoluyla önerilen bir mikroakışkan cihazın çıktısını ve verimliliğini ölçmek zorunludur. Bu çalışma, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) dielektrik özelliklerine göre sürekli ayrılması için AC-dielektroforetik mikroakışkan bir cihazın tasarımını ve simülasyonlarını sunmaktadır23.

Cihaz, MCF-7 ve MCF-10A hücrelerini dielektrik özelliklerine göre ayırmak için tek bir mikroakışkan sıralama kanalına gömülü iki mikroelektrot seti aracılığıyla bir AC elektrik alanı uygulanarak çalıştırılır. Cihazın ayırma etkinliği, farklı ortam iletkenlik değerleri ve bir dizi uygulanan AC frekansı için hesaplamalı olarak simüle edildi. Optimal uygulanan AC frekans ve ortam iletkenlik değerleri sırasıyla 0.8 MHz ve 0.4 S/m olarak bulunmuştur. Simülasyonlar boyunca 1.5 Vp-p'lik düşük voltaj kullanıldı. Uygulanan AC frekans aralığı ve uygulanan voltaj daha önce bildirilen literatür23,47 ile karşılaştırılabilir. 1 MHz'in üzerindeki frekanslarda, gelecekteki cihaz tasarımları ve üretimi için dikkate alınması gereken hücre immobilizasyon etkisi gözlenmiştir. Bu hücre immobilizasyonunu, hücre sıralama uygulamaları bağlamında yöntemimizin bir sınırlaması olarak listeliyoruz. Daha yüksek frekanslarda hücre immobilizasyonunun, daha önce literatür54'te bildirildiği gibi hücre farklılaşması için kullanılabileceğine inanıyoruz ve bu önerilen tasarıma yeni bir yön kazandırıyor. Bu uygulama sentetik biyoloji araştırmacıları için büyük ilgi çekici olacaktır.

Bu protokolün doğru uygulanması için kritik adımlar, uygun fizik düğümlerinin ve alt düğümlerin seçimini içerir (adım 1.5-1.9). Bu adımlar tüm simülasyon protokolünün temelini oluşturur ve her hücre tipi, uygulanan kuvvet ve uygulanan voltaj için parametre değerlerini seçmeye yardımcı olur. Bir diğer kritik adım, doğru akışkan ortam iletkenliğini ve uygulanan frekansı seçmektir. Bu, parametrik taramanın bir sorun giderme adımı çalıştırılarak sağlanabilir. Bu iki parametrenin parametrik taraması, gelecekteki simülasyonlar için en uygun değerlerin belirlenmesinde yardımcı olabilir. Son olarak, bir örgü bağımsızlığı çalışması, gelecekteki simülasyonlar için doğru örgü boyutunu seçme bağlamında da kritik öneme sahiptir. Gelecekteki simülasyonları tamamlamadan önce bir sorun giderme adımı olarak bir ağ bağımsızlığı çalışmasının yapılması şiddetle tavsiye edilir.

Bu çalışma, metastatik olmayan meme kanseri hücrelerinin (MCF-7) ve tümör dışı meme epitel hücrelerinin (MCF-10A) dielektrik özelliklerine göre inline ayrılmasının simülasyon tabanlı ilk örneğini sunmaktadır. Bu tasarımın uygulanabilir ve canlı olmayan hücre sıralama için daha fazla uygulanabileceğine inanıyoruz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar potansiyel çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Acknowledgments

Bu çalışma Pakistan Yüksek Öğretim Komisyonu tarafından desteklenmiştir.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
COMSOL COMSOL multiphysics simulation software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liang, L., et al. Microfluidic-based cancer cell separation using active and passive mechanisms. Microfluidics and Nanofluidics. 24 (4), 26 (2020).
  2. Damiati, S., Kompella, U. B., Damiati, S. A., Kodzius, R. Microfluidic devices for drug delivery systems and drug screening. Genes. 9 (2), 103 (2018).
  3. Pashayan, N., et al. Personalized early detection and prevention of breast cancer: ENVISION consensus statement. Nature Reviews Clinical Oncology. 17 (11), 687-705 (2020).
  4. Panesar, S., Neethirajan, S. Microfluidics: Rapid diagnosis for breast cancer. Nano-micro Letters. 8 (3), 204-220 (2016).
  5. Chen, J., Li, J., Sun, Y. Microfluidic approaches for cancer cell detection, characterization and separation. Lab on a Chip. 12 (10), 1753-1767 (2012).
  6. Beech, J. P., Holm, S. H., Adolfsson, K., Tegenfeldt, J. O. Sorting cells by size, shape and deformability. Lab on a Chip. 12 (6), 1048-1051 (2012).
  7. Kang, Y., Li, D. Electrokinetic motion of particles and cells in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (4), 431-460 (2009).
  8. Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab on a Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
  9. Yu, B. Y., Elbuken, C., Shen, C., Huissoon, J. P., Ren, C. L. An integrated microfluidic device for the sorting of yeast cells using image processing. Scientific Reports. 8, 3550 (2014).
  10. Asiaei, S., Darvishi, V., Davari, M. H., Zohrevandi, D., Moghadasi, H. Thermophoretic isolation of circulating tumor cells, numerical simulation and design of a microfluidic chip. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 137 (3), 831-839 (2019).
  11. Song, Y., Li, M., Pan, X., Wang, Q., Li, D. Size-based cell sorting with a resistive pulse sensor and an electromagnetic pump in a microfluidic chip. Electrophoresis. 36 (3), 398-404 (2014).
  12. Giraud, G., et al. Dielectrophoretic manipulation of ribosomal RNA. Biomicrofluidics. 5 (2), 024116 (2011).
  13. Valero, A., Braschler, T., Demierre, N., Renaud, P. A miniaturized continuous dielectrophoretic cell sorter and its applications. Biomicrofluidics. 4 (2), 022807 (2010).
  14. Allahrabbi, N., Chia, Y. S. M., Saifullah, M. S. M., Lim, K. M., Lanry Yung, L. Y. A hybrid dielectrophoretic system for trapping of microorganisms from water. Biomicrofluidics. 9 (3), 034110 (2015).
  15. Vykoukal, D. M., Gascoyne, P. R. C., Vykoukal, J. Dielectric characterization of complete mononuclear and polymorphonuclear blood cell subpopulations for label-free discrimination. Integrative Biology: Quantitative Biosciences from Nano to Macro. 1 (7), 477-484 (2009).
  16. Shim, S., et al. Antibody-independent isolation of circulating tumor cells by continuous-flow dielectrophoresis. Biomicrofluidics. 7 (1), 11807 (2013).
  17. Jeon, H. J., Lee, H., Yoon, D. S., Kim, B. M. Dielectrophoretic force measurement of red blood cells exposed to oxidative stress using optical tweezers and a microfluidic chip. Biomedical Engineering Letters. 7 (4), 317-323 (2017).
  18. Song, H., et al. Continuous-flow sorting of stem cells and differentiation products based on dielectrophoresis. Lab on a Chip. 15 (5), 1320-1328 (2015).
  19. Tsai, S. L., Chiang, Y., Wang, M. H., Chen, M. K., Jang, L. S. Battery-powered portable instrument system for single-cell trapping, impedance measurements, and modeling analyses. Electrophoresis. 35 (16), 2392-2400 (2014).
  20. Chan, J. Y., et al. Dielectrophoresis-based microfluidic platforms for cancer diagnostics. Biomicrofluidics. 12 (1), 011503 (2018).
  21. Patel, S., et al. Microfluidic separation of live and dead yeast cells using reservoir-based dielectrophoresis. Biomicrofluidics. 6 (3), 34102 (2012).
  22. Yildizhan, Y., Erdem, N., Islam, M., Martinez-Duarte, R., Elitas, M. Dielectrophoretic separation of live and dead monocytes using 3D carbon-electrodes. Sensors. 17 (11), 2691-2704 (2017).
  23. Piacentini, N., Mernier, G., Tornay, R., Renaud, P. Separation of platelets from other blood cells in continuous-flow by dielectrophoresis field-flow-fractionation. Biomicrofluidics. 5 (3), 34122 (2011).
  24. Zhao, K., Duncker, B. P., Li, D. Continuous cell characterization and separation by microfluidic alternating current dielectrophoresis. Analytical Chemistry. 91 (9), 6304-6314 (2019).
  25. Valero, A., et al. Tracking and synchronization of the yeast cell cycle using dielectrophoretic opacity. Lab on a Chip. 11 (10), 1754-1760 (2011).
  26. Demierre, N., Braschler, T., Muller, R., Renaud, P. Focusing and continuous separation Of cells in a microfluidic device using lateral dielectrophoresis. International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. 430 (98), 1777-1780 (2007).
  27. Arslan, Z. C., Yalçın, Y. D., Külah, H. Label-free enrichment of MCF7 breast cancer cells from leukocytes using continuous flow dielectrophoresis. Electrophoresis. 43 (13-14), 1531-1544 (2022).
  28. Turcan, I., Olariu, M. A. Dielectrophoretic manipulation of cancer cells and their electrical characterization. ACS Combinatorial Science. 22 (11), 554-578 (2020).
  29. Park, J., et al. Sequential cell-processing system by integrating hydrodynamic purification and dielectrophoretic trapping for analyses of suspended cancer cells. Micromachines. 11 (1), 47 (2020).
  30. Hussein, M., et al. Breast cancer cells exhibits specific dielectric signature in vitro using the open-ended coaxial probe technique from 200 MHz to 13.6 GHz. Scientific Reports. 9, 4681 (2019).
  31. Fornes-Leal, A., Garcia-Pardo, C., Frasson, M., Pons Beltrán, V., Cardona, N. Dielectric characterization of healthy and malignant colon tissues in the 0.5-18 GHz frequency band. Physics in Medicine and Biology. 61 (20), 7334-7346 (2016).
  32. Çetin, B., Li, D. Dielectrophoresis in microfluidics technology. Electrophoresis. 32 (18), 2410-2427 (2011).
  33. Khan, S., Khulief, Y. A., Al-Shuhail, A. A. Effects of reservoir size and boundary conditions on pore-pressure buildup and fault reactivation during CO2 injection in deep geological reservoirs. Environmental Earth Sciences. 79, 294 (2020).
  34. Adams, T. N. G., Turner, P. A., Janorkar, A. V., Zhao, F., Minerick, A. R. Characterizing the dielectric properties of human mesenchymal stem cellsand the effects of charged elastin-like polypeptide copolymer treatment. Biomicrofluidics. 8 (5), 054109 (2014).
  35. Lo, Y. J., et al. Measurement of the Clausius-Mossotti factor of generalized dielectrophoresis. Applied Physics Letters. 104, 083701 (2014).
  36. Lo, Y. J., Lei, U. Measurement of the real part of the Clausius-Mossotti factor of dielectrophoresis for Brownian particles. Electrophoresis. 41 (1), 137-147 (2020).
  37. Ohta, A. T., et al. Optically controlled cell discrimination and trapping using optoelectronic Tweezers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13 (2), 235-242 (2007).
  38. Sun, T., Morgan, H. Single-cell microfluidic Impedance cytometry. Microfluidics and Nanofluidics. 8 (4), 423-443 (2010).
  39. Weng, P. Y., et al. Size-dependent dielectrophoretic cross-over frequency of spherical particles. Biomicrofluidics. 10 (1), 1909-1921 (2016).
  40. Lu, Y. W., Sun, C., Kao, Y. C., Hung, C. L., Juang, J. Y. Dielectrophoretic cross-over frequency of single particles: Quantifying the effect of surface functional groups and electrohydrodynamic flow drag force. Nanomaterials. 10 (7), 1364 (2020).
  41. Henslee, E. A., Sano, M. B., Rojas, A. D., Schmelz, E. M., Davalos, R. V. Selective concentration of human cancer cells using contactless dielectrophoresis. Electrophoresis. 32 (18), 2523-2529 (2011).
  42. Chan, J. Y., et al. Dielectrophoresis-based microfluidic platforms for cancer diagnostics. Biomicrofluidics. 12 (1), 11503-11525 (2018).
  43. Gascoyne, P. R. C., Shim, S. Isolation of circulating tumor cells by dielectrophoresis. Cancers. 6 (1), 545-579 (2014).
  44. Liang, W., et al. Determination of dielectric properties of cells using ac electrokinetic-based microfluidic platform. Micromachines. 11 (5), 513-537 (2020).
  45. Frusawa, H., et al. Frequency-modulated wave dielectrophoresis of vesicles and cells periodic U-turns at the crossover frequency. Nanoscale Research Letters. 13 (169), 2583-2589 (2018).
  46. Wei, M. T., Junio, J., Ou-Yang, D. H. Direct measurements of the frequency-dependent dielectrophoresis force. Biomicrofluidics. 3 (1), 12003 (2009).
  47. Mustafa, A., Pedone, E., Marucci, L., Moschou, D., Lorenzo, M. D. A flow-through microfluidic chip for continuous dielectrophoretic separation of viable and non-viable human T-cells. Electrophoresis. 43 (3), 501-508 (2021).
  48. Wang, L., et al. Dual frequency dielectrophoresis with interdigitated sidewall electrodes for microfluidic flow-through separation of beads and cells. Electrophoresis. 30 (5), 782-791 (2021).
  49. Alazzam, A., Mathew, B., Alhammadi, F. Novel microfluidic device for the continuous separation of cancer cells using dielectrophoresis. Journal of Separation Science. 40 (5), 1193-1200 (2017).
  50. Yang, L., Banada, P. P., Bhunia, A. K., Bashir, R. Effects of dielectrophoresis on growth viability and immuno-reactivity of listeria monocytogenes. Journal of Biological Engineering. 2, 6 (2008).
  51. Matbaechi, H., Soltani, P., Hölzel, R., Wenger, C. Dielectrophoretic immobilization of yeast cells using CMOS integrated microfluidics. Micromachines. 11 (5), 501-518 (2020).
  52. Mustafa, A., Pedone, E., La Regina, A., Erten, A. A., Marucci, L. Development of a single layer microfluidic device for dynamic stimulation, culture and imaging of mammalian cells. bioRxiv. , (2022).
  53. Mustafa, A., et al. Enhanced dissolution of liquid microdroplets in the extensional creeping flow of a hydrodynamic trap. Langmuir. 32 (37), 9460-9467 (2016).
  54. Chang, H. F., Chou, S. E., Cheng, J. Y. Electric-field-induced neural precursor cell differentiation in microfluidic devices. Journal of Visualized Experiments. (170), e61917 (2021).

Tags

Mühendislik Sayı 186
Metastatik Olmayan (MCF-7) ve Tümörsüz (MCF-10A) Meme Kanseri Hücrelerinin AC Dielektroforez Kullanılarak Ayrılması için Mikroakışkan Cihaz
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

ur Rehman, A., Zabibah, R. S.,… More

ur Rehman, A., Zabibah, R. S., Kharratian, S., Mustafa, A. Microfluidic Device for the Separation of Non-Metastatic (MCF-7) and Non-Tumor (MCF-10A) Breast Cancer Cells Using AC Dielectrophoresis. J. Vis. Exp. (186), e63850, doi:10.3791/63850 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter