乳腺癌细胞与非肿瘤性乳腺上皮细胞具有不同的介电特性。人们推测，基于这种介电特性的差异，可将这两类细胞分离开来，用于免疫治疗。为验证这一设想，我们对一种用于分选 MCF-7 和 MCF-10A 细胞的微流控装置进行了建模。
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本文内容
摘要
摘要
介电泳装置能够基于样本中癌细胞在外加电场作用下的极化原理，以无标记、低成本、稳定且准确的方式实现对癌细胞的检测与操控。本文展示了如何利用微流控平台，通过流体动力介电泳（HDEP）从细胞混合物中实现非转移性乳腺癌细胞（MCF-7）与非肿瘤乳腺上皮细胞（MCF-10A）的高通量连续分选。在HDEP微流控芯片中，通过在两个并排布置、间距为微米级的电极之间建立电场，非肿瘤乳腺上皮细胞（MCF-10A）会因表现出负介电泳效应而在主通道内被推离，而非转移性乳腺癌细胞由于其电导率高于膜电导率，在细胞培养基中悬浮时则不受影响，沿原路径流动。为验证该原理，研究人员针对不同培养基电导率进行了仿真，并研究了细胞分选行为。通过参数化研究，确定合适的细胞混合物电导率为0.4 S/m。在保持培养基电导率恒定的条件下，通过调节电场频率，确定了0.8 MHz的适当交流频率可实现最高的分选效率。采用本文所述方法，在选定合适的细胞混合物悬浮介质电导率和施加的交流电频率后，即可实现最高的分选效率。
引言
在乳腺组织内部及周围形成的恶性肿瘤是全球女性乳腺癌的常见病因，造成严重的健康问题1。在转移发生之前，乳腺肿瘤若能在早期被发现，可通过手术治疗；但如果被忽视，则可能扩散至肺部、脑部和骨骼，对患者生命造成严重威胁。晚期阶段的治疗手段，如放疗和化学疗法，往往伴随严重的副作用2。近期研究表明，乳腺癌的早期诊断可使死亡率降低60%3。因此，开发个性化的早期检测方法至关重要。为此，来自不同科学与技术领域的研究人员已利用微流控技术开发用于乳腺癌早期诊断的装置4。这些方法包括细胞亲和微色谱、磁激活微细胞分选器、基于尺寸的癌细胞捕获与分离，以及芯片上的介电泳（DEP）技术5,6。文献报道的这些微流控技术能够实现对细胞的精确操控、实时监测以及对明确定义样本的分选，因而在许多诊断和治疗应用中发挥着中间关键步骤的作用5。将这些分选机制与微流控系统整合，可实现对目标细胞灵活且可靠的操控7,8,9,<....
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方案
注意：本方案使用多物理场仿真软件 COMSOL，通过交流介电泳技术模拟对非转移性乳腺癌细胞（MCF-7）和非肿瘤性乳腺上皮细胞（MCF-10A）的可控分选。
1. 芯片设计与参数选择
- 打开多物理场仿真软件并选择 空白模型. 右键单击 全球定义 并选择 参数. 导入所提供的参数 表1 作为文本文件导入全局定义，或逐项输入数值。
- 选择 添加组分 从主页选项卡中添加一个 二维组分右键单击几何体，然后通过双击文件导入模型文件。
- 选择一种空白材料，并使用该材料的属性 表1.
- 选择 添加物理学 从“主页”选项卡中输入 AC/DC。在 AC/DC 节点下，选择“电流” 物理学 在电场与电流的子节点下。
- 右键单击 电流 并选择 当前保护状况, 绝缘，以及 电势 用于绝缘通道壁并为电极分配电势的子节点。
- ....
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结果
研究基于介电泳有效分离非转移性乳腺癌（MCF-7）细胞与非肿瘤乳腺上皮（MCF-10A）细胞的最佳操作参数
为了在介电泳过程中成功分离具有不同介电特性的非转移性乳腺癌（MCF-7）细胞和非肿瘤乳腺上皮（MCF-10A）细胞，应保持施加频率恒定，使两者的K因子存在差异37,38。通过使用公式4，量化了非转移性乳腺癌细胞和非肿瘤乳腺上皮细胞在施加电场下的介电响应，并计算了两种细胞系的“K”因子随施加频率变化的关系。如图1所示的结果是在固定非转移性乳腺癌细胞和非肿瘤乳腺上皮细胞所有介电参数的前提下，通过改变细胞悬浮液介质电导率σm的三个不同取值，并调节外加电场频率而获得的。
如图1所示，在每种情况下，K值均在-1至1的范围内，与先前的研究结果一致39
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讨论
已有文献报道微流控装置可用于细胞培养、捕获和分选47,52,53。在洁净室中制备此类装置成本较高，因此必须通过计算流体动力学（CFD）模拟来量化所提出微流控装置的输出性能与效率。本研究提出了一种基于交流介电电泳的微流控装置的设计，并对其进行了模拟，旨在根据非转移性乳腺癌细胞（MCF-7）与非肿瘤乳腺上皮细胞（MCF-10A）介电特性的差异，实现两者的连续分离23。
通过施加交流电场来操作该设备 通过 一组嵌入单个微流控分选通道内的双微电极，用于根据MCF-7和MCF-10A细胞的介电特性对其进行分离。该装置的分离效率通过计算模拟，针对不同培养基电导率值及一系列施加的交流频率进行了评估。结果表明，最佳施加交流频率和培养基电导率值分别为0.8 MHz 和 0.4 S/m。施加 1.5 V 的低电压p-p .......
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披露
作者声明不存在潜在的利益冲突。
致谢
本研究由巴基斯坦高等教育委员会资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| COMSOL | COMSOL | 多物理场仿真软件 |
参考文献
- Liang, L., et al. Microfluidic-based cancer cell separation using active and passive mechanisms. Microfluidics and Nanofluidics. 24 (4), 26(2020).
- Damiati, S., Kompella, U. B., Damiati, S. A., Kodzius, R. Microfluidic devices for drug delivery systems and....
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重印与许可
