利用交流介电泳分离非转移性（MCF-7）与非肿瘤性（MCF-10A）乳腺癌细胞的微流控芯片装置
2022年8月11日
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。
本方案通过保持电导率恒定并改变施加的频率，实现以受控方式分离癌细胞与健康细胞。该方案模拟了利用交流介电泳技术对非转移性乳腺癌细胞和非肿瘤性乳腺上皮细胞进行受控分选的过程。该技术是首个基于细胞介电特性，通过模拟实现非转移性乳腺癌细胞与非肿瘤性乳腺上皮细胞在线分离的示例。
首先，打开多物理场仿真软件，选择空白模型，然后在全局定义上单击右键。选择“参数”，并将表一中给出的参数以文本文件形式导入全局定义中，或逐个输入参数值。在“主页”选项卡中选择“添加组件”，并添加一个二维组件。
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，并使用表一中的材料属性。转到主页选项卡，选择“添加物理场”并输入“AC/DC”。
然后转到“电场与电流”子节点下的 AC/DC 节点，并选择“电流”作为物理场。右键单击“电流”，选择“电流守恒”、“绝缘”和“电势”子节点，以对通道壁设置绝缘，并为电极指定电势。接下来，从“主页”选项卡中选择“添加物理场”，在“流体流动”节点下的“单相流”子节点中，选择“蠕动流”物理场。
右键单击单相流，使用壁面子节点将芯片边界设置为壁面。右键单击单相流，添加两个入口子节点和一个出口子节点。使用入口子节点指定入口，并以法向流速作为边界条件。
使用出口子节点指定出口。然后从主页签中选择“添加物理场”，在流体流动节点下，进入粒子追踪子节点，并选择粒子追踪流动物理场。右键单击粒子追踪节点并检查其设置。
使用粒子属性子节点设置 MCF-10A 和 MCF-7 细胞的粒子属性。从全局定义部分的参数中选择粒子属性。添加拖曳力子节点，以将介电泳力分配给这两种类型的细胞。
在此情况下，从参数部分添加颗粒属性。现在选择“添加网格”，然后从主页选项卡中选择“精细网格”。为构建网格，选择“构建网格”，并单击“添加研究”以添加三个研究步骤。
研究步骤一为模拟频率响应并使用频域子节点。为模拟蠕动流，选择稳态研究节点。添加两个随时间变化的步骤，以模拟存在介电泳力和不存在介电泳力条件下的情况。
对于节点介电泳条件，选择物理场和变量设置，勾选研究设置中修改模型配置的选项，并禁用介电泳步骤。对于介电泳条件，则不要禁用该步骤。保存文件后运行仿真。
在引入非转移性乳腺癌细胞系和非肿瘤乳腺上皮细胞系进行CFD模拟后，求解两组CFD研究。对于第一组，右键单击研究1并添加参数化扫描子节点。按下加号以添加流体介质电导率sigma_m作为扫描变量。
对流体介质电导率 sigma_m 进行参数扫描研究，其范围从 0.01 到 2.5 西门子每米，同时将施加频率保持恒定在 800 千赫兹。对于第二组实验，在介电泳力子节点下使用该公式，通过改变施加的交流频率从 100 千赫兹到 100 兆赫兹进行参数扫描研究，同时将流体介质的电导率 sigma_m 固定在 0.4 西门子每米。计算在导电介质中作用于介电球形颗粒的介电泳力强度。
在介电泳力子节点下，对球形粒子使用此方程。对于处于介电泳力子节点下的球形粒子，请使用该方程。使用前述方程的修正形式来模拟结构更复杂、具有多层结构的生物细胞，例如哺乳动物细胞。
然后使用该方程求解复杂渗透率。接着绘制癌细胞和健康细胞的相对电导率（REK）随外加电场变化的函数关系图。右键单击结果节点。
添加粒子评估子节点，在表达式部分输入 fpt.deff1. K 以绘制粒子一的 CM 因子，以及 fpt.deff2。
对于第二个粒子的K值。在0.01西门子/米的流体介质电导率和100千赫的交流电频率下，MCF-10A和MCF-7细胞表现出正向介电泳现象，其REK值分别为0.82和0.76。在电导率为0.4西门子/米时，MCF-10A和MCF-7细胞表现出负向介电泳行为，其REK值分别为-0.46和-0.31。
当电导率增加至 1.2 西门子/米时，细胞系在 100 千赫兹下表现出负向介电泳，REK 值分别为 -0.49 和 -0.43。在电导率为 0.01 西门子/米的条件下，两种细胞均表现出正向介电泳，向高电场强度区域移动，并从顶部出口流出。当电导率增加至 0.4 西门子/米且施加频率固定在 0.8 兆赫兹时，MCF-10A 细胞移向顶部出口，而 MCF-7 细胞则移向底部出口。
当培养基电导率升高至1.2西门子/米时，两种细胞系均远离高电场区域。在100千赫兹频率下，两种细胞系均表现出负向介电电泳现象，并向底部出口移动。两种细胞系的行为在频率达到0.8兆赫兹之前保持不变。
此外，MCF-10A 改变了其介电泳行为，并转入正介电泳区域。在 100 兆赫时，两种细胞系均表现出正介电泳现象，并向顶部出口移动。这些技术将为希望分离活细胞与非活细胞，以及在介电特性不同的情况下分选不同类型癌细胞的研究人员开辟新的途径。
此外，使用相同的方法也可实现基于不同尺寸的分选。
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概述
本研究探讨了乳腺癌细胞与非肿瘤性乳腺上皮细胞的介电特性，提出了一种利用微流控装置对其进行分离的方法。该技术基于这些介电特性的差异，采用交流介电泳实现可控分选。
关键研究组成部分
科学领域
- 细胞生物学
- 生物医学工程
- 肿瘤学
背景
- 乳腺癌细胞表现出独特的介电特性。
- 非肿瘤乳腺上皮细胞作为对照组。
- 介电特性可用于细胞分离。
- 交流介电泳是一种用于此目的的有前景的技术。
研究目的
- 建立用于分选乳腺癌细胞与健康细胞的微流控装置模型。
- 探索其在免疫治疗应用中的潜力。
- 展示一种基于模拟的细胞分离方法。
使用的方法
- 使用多物理场软件进行仿真。
- 在改变频率的同时保持电导率恒定。
- 实施交流介电电泳用于细胞分选。
- 将参数导入仿真模型。
主要结果
- 基于介电特性的细胞分离模拟成功实现。
- 验证了细胞类型在线分离的可行性。
- 为后续实验验证提供了框架。
- 凸显了其在治疗应用中的潜力。
结论
- 该研究证实了关于介电差异的假设。
- 交流介电泳技术在分离癌细胞与健康细胞方面具有有效性。
- 该方法有望增强免疫治疗策略。
常见问题
行业重要性概述
基于细胞固有的介电特性，介电泳微流控平台能够实现癌细胞与正常细胞的无标记、高通量分离，支持早期靶点验证和机制性风险降低。这种基于仿真的方法为细胞分选工作流程提供了可预测性保障，有助于在肿瘤学研究中建立稳健的检测方法并进行项目筛选。此类方法的整合可提高临床前模型的可靠性，并为基于风险评估的推进决策提供依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 利用生物物理特征实现非转移性癌症细胞与非肿瘤细胞的功能性区分。
- 通过无标记、无需抗体的细胞群体分离，支持作用机制层面的风险评估。
- 提供基于模拟的框架，用于介电特性差异的假设检验。
- 有助于对基于细胞的肿瘤学模型进行早期阶段的决策判断（可行/不可行）。
筛选与检测方法开发
- 为下游表型或机制分析制备经过验证的细胞群体。
- 通过优化培养基电导率和交流电频率，标准化分选条件。
- 实现可重复、定量的分离结果，确保样品适用于后续分析。
- 支持可扩展的高通量工作流程，用于化合物评估。
转化与临床前研究
- 将细胞分选参数与疾病相关的生物物理标志物相匹配。
- 通过实现细胞群体的稳定分离，确保从发现到临床前验证的连续性。
- 通过保证分选细胞群体的纯度，降低临床前模型中的生物学模糊性。
- 为基于介电特性的未来转化生物标志物研究提供平台。
流程与工作流整合
这种微流控介电泳方法适用于从早期发现到临床前研究的连续过程，能够实现稳健的细胞分选，用于肿瘤学领域的靶点验证、检测开发和转化研究。
- 发现生物学：通过基于介电响应的细胞类型分离，支持假设验证和通路阐明。
- 筛选：提供可重复的定量输出，用于检测标准化和筛选准备。
- 分析：提供有关电导率和频率阈值的参数化数据，以实现最佳分离效果。
- 转化研究：使细胞分选与疾病相关的生物物理标志物保持一致，支持临床前研究的连续性。
- 企业级复用：提供可重复使用的模拟与分选平台，可适应具有不同介电特性的其他细胞类型。
运营与企业影响
- 科学价值：提高基于细胞模型的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：提供标准化、可重复且可扩展的细胞分选工作流程。
- 战略价值：通过降低早期生物学研究的风险，提升决策质量与资本使用效率。
- 项目组合影响：实现基于风险调整的肿瘤学项目优先排序与推进。
实施注意事项
- 需要具备微流控、介电泳及仿真软件方面的专业知识。
- 需要具备计算建模基础设施和经过验证的参数集。
- 要求跨团队对培养基电导率和频率设置进行标准化。
- 应用于其他细胞类型时，可能需要额外的介电特性表征。
- 新应用需先通过基于仿真的验证，再进行实验实施。
