Waiting
Login-Verarbeitung ...

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

Engineering

מכשיר מיקרופלואידי להפרדת תאים סרטניים שאינם גרורתיים (MCF-7) ושאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC

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

תאי סרטן השד מפגינים תכונות דיאלקטריות שונות בהשוואה לתאי אפיתל שדיים שאינם סרטניים. הועלתה השערה כי בהתבסס על הבדל זה בתכונות הדיאלקטריות, ניתן להפריד בין שתי האוכלוסיות למטרות אימונותרפיה. כדי לתמוך בכך, אנו מדגמים מכשיר מיקרופלואידי למיון תאי MCF-7 ו-MCF-10A.

Abstract

התקנים דיאלקטרופורטיים מסוגלים לזהות ולתפעל תאים סרטניים באופן נטול תוויות, חסכוני, חזק ומדויק תוך שימוש בעקרון הקיטוב של התאים הסרטניים בנפח הדגימה על ידי הפעלת שדה חשמלי חיצוני. מאמר זה מדגים כיצד ניתן להשתמש בפלטפורמה מיקרופלואידית למיון רציף בתפוקה גבוהה של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה הידרודינמית (HDEP) מתערובת התאים. על ידי יצירת שדה חשמלי בין שתי אלקטרודות הממוקמות זו לצד זו עם מרווח בגודל מיקרון ביניהן בשבב מיקרופלואידי HDEP, ניתן לדחוף תאי אפיתל שדיים שאינם סרטניים (MCF-10A), המציגים DEP שלילי בתוך הערוץ הראשי, בעוד שתאי סרטן השד הלא גרורתיים עוקבים אחר מסלולם ללא השפעה כאשר הם תלויים בתווך התא בשל מוליכות גבוהה יותר ממוליכות הממברנה. כדי להדגים תפיסה זו, בוצעו סימולציות לערכים שונים של מוליכות בינונית, ומיון התאים נחקר. נערך מחקר פרמטרי, ומוליכות מתאימה של תערובת תאים נמצאה 0.4 S/m. על ידי שמירה על מוליכות בינונית קבועה, נקבע תדר AC הולם של 0.8 מגה-הרץ, המעניק יעילות מיון מקסימלית, על ידי שינוי תדר השדה החשמלי. באמצעות השיטה המודגמת, לאחר בחירת מוליכות בינונית התלויה של תערובת התאים המתאימה ותדירות ה- AC המיושם, ניתן להשיג יעילות מיון מקסימלית.

Introduction

גידול ממאיר המתפתח בתוך ומסביב לרקמת השד הוא גורם שכיח לסרטן השד אצל נשים ברחבי העולם, וגורם לבעיה בריאותית קריטית1. גידולי שד לפני גרורות יכולים להיות מטופלים באמצעות ניתוח אם הם מזוהים בשלב מוקדם, אך אם מתעלמים מהם, הם יכולים להיות בעלי השלכות חמורות על חיי המטופלת על ידי התפשטות לריאות, למוח ולעצמות. לטיפולים המוצעים בשלבים מאוחרים יותר, כגון קרינה וטיפולים מבוססי כימיקלים, יש תופעות לוואי קשות2. מחקרים אחרונים דיווחו כי אבחון מוקדם של סרטן השד מפחית את שיעור התמותה ב -60%3. לפיכך, חובה לפעול למען שיטות מותאמות אישית לגילוי מוקדם. לשם כך, חוקרים העובדים בתחומים שונים של מדע וטכנולוגיה השתמשו במיקרופלואידיקה כדי לפתח מכשירים לאבחון מוקדם של סרטן השד4. שיטות אלה כוללות מיקרו-כרומטוגרפיה של זיקה תאית, ממיינים של מיקרו-תאים המופעלים על-ידי מגנטית, לכידה והפרדה של תאים סרטניים מבוססי גודל, ודיאלקטרופורזה על השבב (DEP)5,6. טכניקות מיקרופלואידיות אלה המדווחות בספרות מאפשרות מניפולציה מדויקת של תאים, ניטור בזמן אמת ומיון של דגימות מוגדרות היטב, המשמשות כשלב ביניים ביישומים אבחוניים וטיפוליים רבים5. השילוב של מנגנוני מיון אלה עם microfluidics מציע מניפולציה גמישה ואמינה של תאי המטרה 7,8,9,10. אחד היתרונות העיקריים של אינטגרציה כזו הוא היכולת לעבוד עם דגימות נוזל בנפחי ננו למיקרוליטר וגם היכולת לתפעל את התכונות החשמליות של נוזל הדגימה. על ידי התאמת המוליכות של הנוזל התלוי בתוך התקנים מיקרופלואידיים, ניתן למיין את התאים הביולוגיים על סמך גודלם וההבדלים בתכונותיהם הדיאלקטריות11,12.

בין טכניקות אלה, DEP על השבב הוא המועדף לעתים קרובות כפי שהוא טכניקת מיון תאים ללא תווית המנצלת את התכונות החשמליות של דגימות ביולוגיות. דווח כי DEP מבצעת מניפולציות בדגימות ביולוגיות כגון DNA 13, RNA 14, חלבונים 15, חיידקים 16, תאי דם 17, תאי גידול במחזור הדם (CTCs)18 ותאי גזע 19. התקנים מיקרופלואידיים המשתמשים ב-DEP למיון דגימות ביולוגיות דווחו בהרחבה בספרות20. דווח על התקנים מיקרופלואידיים מבוססי מאגר DEP (rDEP) למיון תאי שמרים בני קיימא ולא בני קיימא המגנים על התאים מפני ההשפעות השליליות של תגובות אלקטרוכימיות21,22. Piacentini et al. דיווחו על סדרן תאים מיקרופלואידי קסטלי שהפריד בין תאי דם אדומים לטסיות דם ביעילות של 97%23. כמו כן, דווח כי התקני DEP על השבב עם פתחים אסימטריים ואלקטרודות משובצות ממיינים תאים בני קיימא ולא בני קיימא24. Valero ו- Demierre et al. שינו את סדרן התאים המיקרופלואידיים הקסטל על ידי הצגת שני מערכים של מיקרואלקטרודות משני צידי ערוץ25,26. זה עזר למקד את התאים במרכז הערוץ. Zeynep et al. הציגו מכשיר מיקרופלואידי מבוסס DEP להפרדה וריכוז של תאי סרטן שד MCF7 מלוקוציטים27. הם דיווחו על יעילות של מיצוי תאי MCF7 מלוקוציטים בין 74%-98% עם תדר של 1 מגה-הרץ ומתח מופעל הנע בין 10-12 וולטלאדם. טבלה משלימה 1 מייצגת השוואה איכותית וכמותית בין התקני מיון מיקרופלואידיים מבוססי DEP בהתבסס על התכנון, תצורת האלקטרודות ופרמטרים התפעוליים שלהם (תדר ומתח מופעלים).

לאחרונה, חוקרים ניסו למדוד את ההבדלים בהתנהגות הדיאלקטרית של תאי אפיתל שד (MCF-10A) ותאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF-7) בתוך שבב מיקרופלואידי28,29. Jithin et al. אפיינו גם את התגובות הדיאלקטריות של קווי תאים סרטניים שונים באמצעות טכניקת בדיקה קואקסיאלית פתוחה עם תדרים בין 200 MHz ל-13.6 GHz30. הבדלים אלה בתגובות הדיאלקטריות של קווי התאים MCF-7 ו-MCF-10A יכולים להיות מנוצלים כדי להפריד ביניהם בזמן ריצה ויכולים להוביל לפיתוח מכשירי אבחון מותאמים אישית בשלב מוקדם.

במאמר זה אנו מדמים מיון מבוקר של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC. אזור השינוי בשדה החשמלי משפיע על המיון בתוך השבב המיקרופלואידי. הטכניקה המוצעת קלה ליישום ומאפשרת שילוב של טכניקת המיון בפריסות שבבים מיקרופלואידיות שונות. סימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) בוצעו כדי לחקור את ההפרדה בין תאי סרטן שד שאינם גרורתיים לבין תאי אפיתל שדיים שאינם סרטניים על ידי שינוי המוליכות של המדיום הנוזלי שבו היו תלויים התאים. בסימולציות אלה ניתן לראות כי על ידי שמירה על מוליכות קבועה ועל ידי שינוי התדירות המיושמת, ניתן לשלוט בהפרדת תאים סרטניים ותאים בריאים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: הפרוטוקול כאן משתמש ב- COMSOL, תוכנת סימולציה של מולטיפיזיקה, כדי לדמות מיון מבוקר של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC.

1. תכנון שבב ובחירת פרמטרים

  1. פתח את תוכנת המולטיפיזיקה ובחר מודל ריק. לחץ לחיצה ימנית על הגדרות גלובליות ובחר פרמטרים. יבא את הפרמטרים שניתנו בטבלה 1 להגדרות כלליות כקובץ טקסט או הזן את הערכים בנפרד.
  2. בחר הוסף רכיב מכרטיסיית הבית והוסף רכיב דו-ממדי. לחץ לחיצה ימנית על גיאומטריה וייבא את קובץ המודל על ידי לחיצה כפולה על הקובץ.
  3. בחר חומר ריק והשתמש בתכונות החומר מטבלה 1.
  4. בחר הוסף פיזיקה מהכרטיסיה בית והקלד AC/DC. תחת צומת AC/DC, בחר זרמים חשמליים כפיזיקה תחת תת-הצומת של שדות וזרמים חשמליים.
  5. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על הזרם החשמלי ובחר את צמתי המשנה שימור זרם, בידוד ופוטנציאל חשמלי כדי לבודד את דפנות התעלה כדי להקצות פוטנציאל לאלקטרודות.
  6. בחר הוסף פיזיקה מכרטיסיית הבית, ותחת הצומת זרימת נוזלים , בחר פיזיקה של זרימה זוחלת תחת צומת המשנה של זרימה חד-פאזית. לחץ לחיצה ימנית על זרימה חד-פאזית ועבד את גבולות השבב כקירות באמצעות צומת המשנה קיר .
  7. לחץ לחיצה ימנית על זרימה חד-פאזית והוסף שני צמתי משנה של כניסה וצומת משנה של שקע אחד.
  8. הקצה את הכניסות באמצעות תת-צומת הכניסה והשתמש כרגיל במהירות זרימה כתנאי גבול. הקצה את השקע באמצעות צומת המשנה ליציאה.
  9. בחר הוסף פיזיקה מהכרטיסיה בית, ותחת הצומת זרימת נוזלים , בחר פיזיקת זרימת מעקב אחר חלקיקים תחת צומת המשנה של מעקב אחר חלקיקים.
  10. לחץ לחיצה ימנית על צומת מעקב החלקיקים והוסף את קיר הצמתים התת-קרקעיים, צמתי משנה של מאפיין שני חלקיקים, שני צמתי משנה של כניסה, תת-צומת יציאה אחד, שני תת-צמתים של כוח דיאלקטרופורזה ותת-צומת כוח גרירה אחד.
    1. הגדר מאפייני חלקיקים עבור תאי MCF-7 ותאי MCF-10A באמצעות תת-הצומת ' מאפייני חלקיקים' . בחר את מאפייני החלקיקים מתוך פרמטרים תחת המקטע הגדרה גלובלית .
    2. הוסף את צומת המשנה Drag Force כדי להקצות את הכוח הדיאלקטרופורטי לשני סוגי התאים.
    3. הוסף מאפייני חלקיקים במקרה זה ממקטע הפרמטר. הוסף את תת-הצומת Shell כדי ליצור מודלים של תאי יונקים.
  11. מהכרטיסיה בית, בחר הוסף רשת שינוי ובחר רשת שינוי משובחת. בחרו 'בנה רשת שינוי' מהכרטיסיה 'בית' כדי לבנות רשת שינוי .
  12. מלשונית הבית, לחץ על הוסף מחקר כדי להוסיף שלושה שלבי לימוד. מחקר שלב 1 הוא להדמיית תגובת תדר; השתמש בצומת משנה של תחום תדרים .
    1. כדי לדמות זרימה זוחלת, בחר צומת מחקר נייח . הוסף שני שלבים תלויי זמן כדי לדמות תנאים עם כוח דיאלקטרופורטי וללא כוח דיאלקטרופורטי.
    2. עבור מצב ללא דיאלקטרופורטי, בחר בחירת פיזיקה ומשתנים, סמן את התיבה שכותרתה שנה את תצורת המודל עבור שלב המחקר ובטל את השלב הדיאלקטרופורטי. עבור תנאים דיאלקטרופורטיים, אין להשבית. שמור את הקובץ ולחץ על Compute כדי שההדמיה תופעל.
      הערה: השבב המיקרופלואידי המיועד למיון תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) כולל שני פתחים נפרדים לזרימת תערובת תאים ולמיקוד זרימה הידרודינמית, בהתאמה, ברוחב של 20 מיקרומטר ו-40 מיקרומטר, בהתאמה, כפי שמוצג באיור משלים 1 ובאיור משלים 2.
    3. הקצה תדר (f0) תחת צומת המשנה והמתח של תחום התדרים באמצעות תת-צומת הפוטנציאל החשמלי לאלקטרודות הפלנר (ברוחב 295 מיקרומטר) הממוקמות לאורך הדופן הצדדית העליונה של תא המיון. בשקע, השתמש בתנאי הקיר "הקפאה" כדי לדמיין את החלקיקים הממוינים.

2. מודל מתמטי וניתוח חישובי

  1. בדוק את הפרמטרים הניתוחיים להפרדת תאי סרטן שד שאינם גרורתיים ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים בתוך המכשיר המיקרופלואידי על ידי הגדרת מחקר דינמי של נוזל חישובי (CFD).
    הערה: לשם כך נעשה שימוש בתוכנת מולטיפיזיקה (AC/DC, מיקרופלואידיקה ומודולי מעקב אחר חלקיקים). המשוואות השולטות והרקע התיאורטי מובאים בפירוט בתיק משלים 1. המודל נבדק באמצעות תכונות דיאלקטריות של תאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) שדווחו בספרות31,32, המסוכמים בטבלה 1.
  2. בצע את סימולציות ה- CFD על ידי החדרת קווי תאים של סרטן שד לא גרורתי (MCF7) ואפיתל שד שאינו גידולי (MCF-10A) ביחס של 1:1 בכניסת תערובת התאים.
    1. בתחילה, בצע מחקר עצמאות רשת כדי לייעל את גודל הרשת עבור הסימולציות33.
      הערה: מחקר עצמאות רשת בוצע כדי למצוא את הפתרון הטוב ביותר עבור פרמטרי ההפעלה. קבוצה של חמישה גדלי רשת שונים נבחרה כדי לכמת את גודל האלמנט הטוב ביותר האפשרי עבור התכנסות הפתרון. נצפה שכאשר המספר הכולל של אלמנטים המגדירים רשת היה 635 (רשת גסה יותר), כפי שניתן לראות באיור 3A משלים, יעילות המיון הייתה הנמוכה ביותר, כאשר חלק מתאי MCF7 עברו לשקע התחתון, כפי שמתואר באיור משלים 3B. כאשר גודל הרשת הוגדל לקנס, מספר האלמנטים המגדירים את הרשת גדל גם הוא ל-2,288. יעילות המיון הייתה מקסימלית במקרה זה, כאשר גם תאי MCF7 וגם MCF-10A נעו לכיוון השקעים שלהם. הרשת העדינה יותר הודגמה גם היא, כאשר מספר האלמנטים המגדירים את הרשת גדל ל-3,188. יעילות המיון נותרה ללא השפעה מעבר לנקודה זו. לפיכך, אנו יכולים לומר בבטחה כי גודל רשת עדין עובד הכי טוב במקרה שלנו.
    2. פתור שתי קבוצות של מחקרי CFD.
    3. עבור הערכה הראשונה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מחקר 1 והוסף את צומת המשנה Parametric Sweep . לחץ על הסימן + כדי להוסיף מוליכות בינונית נוזלית "σמ '" כמשתנה הטאטוא. בצע מחקר טאטוא פרמטרי עבור מוליכות המדיום הנוזלי σמ' הנעה בין 0.01 S/m ל- 2.5 S/m, תוך שמירה על התדר המיושם, f (Hz), קבוע בערך של 800 קילוהרץ.
    4. עבור הקבוצה השנייה, בצע מחקר Parametric Sweep על ידי שינוי תדר ה- AC המיושם מ- 100 קילוהרץ ל- 100 מגה-הרץ תוך שמירה על מוליכות המדיום הנוזלי, σמ ', קבוע ב- 0.4 S/m עבור כל מקרה. ערך זה של σמ' נבחר על סמך תוצאות מחקר ה- CFD הראשון כאשר נצפתה הפרדה מקסימלית בין MCF-7 ל- MCF-10A בערך זה.
    5. חוזק כוח הדיאלקטרופורזה (DEP), FDEP (-), המופעל על חלקיק כדורי דיאלקטרי בתווך מוליך נתון על ידי משוואה 1T34:
      FDEP Equation 1 [1]
      השתמש במשוואה 1 תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי. במשוואה 1, r מציג את רדיוס החלקיק שעליו מוחלF DEP; K (-) ידוע כגורם קלאוזיוס-מוסוטי; εm(-) מראה את ההיתר הדיאלקטרי של המדיום; ו-E(V/m) הוא הערך הריבועי הממוצע של השדה החשמלי.
    6. השתמש במשוואה 2 עבור חלקיק כדורי תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי.
      Equation 2[2]
      במשוואה 2, Equation 3 (-) מראה את ההיתרים המרוכבים של החלקיק שעליו מופעל כוח ה-DEP; Equation 4 (-) מראה את ההיתרים המורכבים של הנוזל המקיף את החלקיק. ההיתר Equation 3 המורכב ומוגדר Equation 4 כדלקמן35:
    7. השתמש במשוואה 3 עבור חלקיק כדורי תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי:
      Equation 6[3]
      במשוואה 3, εp (-) מראה את החלק הממשי של ההתרהרות המרוכבת של החלקיק; εמ' (-) מראה את החלק האמיתי של ההתרהרות המורכבת של הנוזל המקיף את החלקיק; σp (S/m) מראה את מוליכות החלקיקים; σמ' (S/m) מראה את מוליכות המדיום המקיף את החלקיק; ו- ω (Hz) הוא התדר של השדה החשמלי המופעל.
      הערה: הסימן Re(K) קובע את הקוטביות שלה-F DEP. אם הסימן של Re(K) הוא שלילי, אז החלקיק חווה כוח דיאלקטרופורטי שלילי (nDEP); בניגוד לכך, אם הסימן של Re(K) הוא חיובי, הוא מרמז על כוח דיאלקטרופורטי חיובי (pDEP). עבור גורם קלאוזיוס-מוסוטי (K), הווריאציה נמצאת בטווח של -1 עד 1.
  3. השתמש בצורה שונה של משוואה 3 כדי ליצור מודלים של תאים ביולוגיים כגון תאי יונקים, שהם מורכבים יותר ובעלי מבנה רב-שכבתי.
    K (Equation 7) = Equation 8 [4]
    במשוואה 4, (-) משלבת הן את ההיתריות המרוכבת של הציטופלסמה, (-), והן את ההיתר המורכב של קרום התא, Equation 9 Equation 10 Equation 11 (-), וניתנת באופן הבא:36
  4. השתמש במשוואה 5 כדי לפתור ""Equation 12:
    Equation 13[5]
    במשוואה 5, R cyto (m) ו-Rmem (m) מראים את רדיוס הציטופלסמה של התא ושל קרום התא, בהתאמה.
  5. לאחר מכן, השתמש במשוואה 4 כדי להתוות את Re(K) כפונקציה של השדה החשמלי המופעל הן עבור תאים סרטניים והן עבור תאים בריאים. חשב את החלק האמיתי של גורם קלאוזיוס-מוסוטי (CM), Re(K), כדי לכמת את הכוח הדיאלקטרופורטי (DEP) שהחלקיק חווה.
  6. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על צומת התוצאות, הוסף את תת-הצומת הערכת חלקיקים, ובקטע הביטוי, הקלד fpt.deff1.K כדי להתוות את גורם CM עבור חלקיק 1 ו- fpt.deff2.K עבור חלקיק 2.
    הערה: ניתן להציג את כל שלבי הפרוטוקול המפורטים בטקסט הראשי בסרטון הפרוטוקול (וידאו 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

חקירת הפרמטרים התפעוליים האופטימליים למיון יעיל מבוסס DEP של סרטן שד לא גרורתי (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A)
כדי להשיג הפרדה מוצלחת של סרטן שד לא גרורתי (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) עם תכונות דיאלקטריות מסתעפות כאשר הם עוברים דיאלקטרופורזה, גורמי K שלהם צריכים להיות מובחנים על ידי שמירה על התדר המיושם קבוע37,38. כימות התגובות הדיאלקטריות של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים תחת שדה חשמלי מיושם וחישוב גורם "K" כפונקציה של התדר המופעל עבור שני קווי התאים הושגו באמצעות משוואה 4. התוצאות המוצגות באיור 1 נוצרו על ידי שמירה על כל הפרמטרים הדיאלקטריים של תאי סרטן השד הלא גרורתיים ותאי אפיתל השד שאינם סרטניים קבועים, בעוד שהתדירות המופעלת של השדה החשמלי הייתה מגוונת עבור שלושה ערכים שונים של מוליכות של מדיית תרחיף התא, σמ '.

כפי שניתן לראות באיור 1, בכל מקרה, הערך של K נמצא בטווח של -1 עד 1, בהתאם למחקרים קודמים39,40. עם זאת, העלילה של real(K) לעומת התדירות משתנה הן עבור תאי סרטן שד שאינם גרורתיים (MCF-7) והן עבור תאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) בהתאם לערך המוליכות הבינונית (σמ'). התוצאות המוצגות באיור 1 עולות בקנה אחד עם מחקר שנערך לאחרונה שבו ההשפעה של σמ' על Re(K) עבור תאי MCF-7 כומתהב-41.

Figure 1
איור 1: גורם קלאוזיוס-מוסוטי. החלק האמיתי של גורם קלאוזיוס-מוסוטי, K, משורטט כפונקציה של תדר, עבור תאי MCF-7 ו-MCF-10A התלויים בתווך המאופיין במוליכות של (A) σ m = 0.01 S/m ; (B) σמטר = 0.4 S/m; (C) σ m = 1.2 S/m . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 1 התווה באמצעות הכלי MyDEP עבור שלושה ערכים שונים של σ מ', תוך שמירה ושינוי של תדר ה-AC המיושם מ-100 קילוהרץ ל-100 מגה-הרץ. בתחילה, ה-σ מ' נבחר להיות 0.01 S/m, ותדר ה-AC שהוחל נע בין 100 קילוהרץ ל-100מגה-הרץ, כפי שניתן לראות באיור 1A. בתדר AC מיושם של 100 קילוהרץ, הערך של Re(K) עבור תאי MCF-10A התברר כ-0.82, כלומר הם חווים דיאלקטרופורזה חיובית (pDEP) ועליהם לנוע לעבר אזור בעל חוזק שדה חשמלי גבוה. באופן דומה, תאי MCF-7 ב-100 קילו-הרץ חווים גם הם pDEP עם ערך Re(K) של 0.76. התדר הוגדל בשלבים של 100 קילוהרץ, והערך של גורם CM עבור שני סוגי התאים נשאר בצד החיובי לאורך ספקטרום התדרים המיושם. על-ידי שמירה על כל פרמטרי ההפעלה האחרים קבועים, מוליכות המדיום הוגדלה ל-0.4 S/m כדי להתוות את ה-Re(K), כפי שמוצג באיור 1B. MCF-10A ו-MCF-7 הדגימו התנהגות שלילית של דיאלקטרופורזה (nDEP) עם ערכי Re(k) של -0.46 ו-0.31-, בהתאמה, ב-100 קילוהרץ. כאשר התדר הוגדל ל-0.8 מגה-הרץ, תגובת ה-DEP של תאי MCF-10 השתנתה, והם חוו pDEP עם ערך Re(K) של 0.014. התנהגות זו של תאי MCF-7 נגרמת על ידי קיטוב מקסוול-וגנר בממשק שבין קרום התא לבין תווך תלייה39,41 שמסביב. התדירות שבה נצפה השינוי הזה בתגובת DEP ידועה בשם תדירות ההצלבה, כפי שמוצג באיור 1A42,22. תאי MCF-7, במקרה זה, חוו nDEP. התדר הוגדל עוד יותר עד 100 מגה-הרץ, אך שני סוגי התאים לא שינו את התנהגות ה-DEP שלהם, ולכן לא הושפעו מהשינויים בתדר השדה החשמלי שהופעל. כאשר המוליכות הוגדלה ל-1.2 S/m, תאי MCF-10A ו-MCF-7 חוו nDEP ב-100 קילו-הרץ. ערכי Re(k) עבור תאי MCF-10A ו-MCF-7, במקרה זה, היו -0.49 ו-0.43-, בהתאמה, כפי שמוצג באיור 1C. כאשר התדר הוגדל ל-0.8 מגה-הרץ, תגובת ה-DEP של התאים לא השתנתה, מכיוון שהם המשיכו לחוות nDEP. התנהגות ה-DEP השלילית של קווי התאים MCF-7 ו-MCF-10A בערכים גבוהים של מוליכות בינונית של תליית תרחיף תאים עולה בקנה אחד עם מחקרים שדווחו בעבר 39,43,44. התנהגות ה-DEP של התאים בתדרים גבוהים יותר מתדר ההצלבה הראשון נשלטת על ידי האינטראקציה בין מוליכות ציטופלסמית לבין פתרון ההשעיה45,46. מאידך גיסא, בתדרים נמוכים מתדר ההצלבה הראשון, התגובה הדיאלקטרית של התאים נקבעת על ידי האינטראקציה בין מוליכות קרום התא לבין תווך השעיית התא.

בהתבסס על התוצאות המוצגות באיור 1, הוכנו סימולציות COMSOL. בתחילה, עוצמת השדה החשמלי כומתה באמצעות תוכנת סימולציה זו, כפי שמוצג באיור 2. ניתן לראות כי המקסימום של גודל השדה החשמלי הכולל שנוצר על ידי שתי אלקטרודות המונחות זו לצד זו על הקיר העליון של תעלת המיון ממוקמות בסמוך לקצוות האלקטרודה. החצים מראים את כיוון השדה החשמלי.

Figure 2
איור 2: חוזק שדה חשמלי. השדה החשמלי שנוצר על ידי שתי אלקטרודות המונחות זו לצד זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

הסימולציות למיון תאי MCF-7 ו-MCF-10A הוגדרו על-ידי שמירה על תדר AC קבוע ב-0.8 מגה-הרץ (תדר מוצלב) ושינוי הערך של σמ'. שלושה ערכים עבור σמ' נבחרו בהתאם לחלקות Re(K) המוצגות באיור 1. בתחילה, כאשר σמ' היה 0.01 S/m, שני סוגי התאים חוו DEP חיובי, נעו לעבר האזור של חוזק שדה חשמלי גבוה, והתרחקו מהשקע העליון, כפי שמוצג באיור 3A. המוליכות הציטופלסמית σהציטופלסמה עבור שני קווי התאים הייתה גבוהה יותר מהמוליכות הבינונית σm במקרה הספציפי הזה, ובכך אילצה את שני קווי התאים להתקרב לאלקטרודות בחלק העליון של הערוץ המיקרופלואידי47. תגובת ה-DEP של תאי MCF-10A השתנתה, והם חוו DEP שלילי, כאשר ה-σמ' הוגדל ל-0.4 S/m כאשר התדר המופעל נקבע על 0.8 MHz. איור 3B מראה שתאי MCF-10A נעים לשקע העליון, בעוד שתאי MCF-7 נעים לשקע התחתון. הסיבה להפרדה זו היא שתאי MCF-7 מקוטבים יותר בהשוואה ל-MCF-10A מכיוון שהמוליכות הציטופלסמית שלהם σהציטופלסמה גדולה מהמוליכות הבינונית σמ', כפי שמוצג בסרטון מיון התאים (וידאו 2).

Figure 3
איור 3: מיון תאים בתדירות קבועה. סימולציה של MCF-7 והפרדת תאים בריאה לאורך זמן על ידי DEP במכשיר המיקרופלואידי שתוכנן. MCF-7 והפרדת תאים בריאה בשלושה ערכים שונים של מוליכות של המדיום המושעה: (A) 0.01 S/m; (ב) 0.4 ש/מ'; (C) 1.2 S/m. בכל מקרה, התדר שהוחל היה 0.8 מגה-הרץ, המתח המופעל Vpp היה 1.5 V, ומהירות הזרימה בכניסת ההזרקה הייתה 184 מיקרומטר לשנייה ו-853 מיקרומטר לשנייה בכניסת מיקוד הזרימה. בסימולציה, תאי MCF-7 ותאי MCF-10A מיוצגים בעיגולים כחולים ואדומים, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

ככל שהמוליכות הבינונית הוגדלה עוד יותר ל-1.2 S/m, גם תאי MCF-7 וגם תאי MCF-10A נעשו פחות מקוטבים מהמדיום המקיף אותם בשל מוליכות ציטופלסמית נמוכה יותר σ ערכיציטופלסמה . כתוצאה מכך, הם חוו nDEP והתרחקו מאזורים של שדה חשמלי גבוה, כפי שניתן לראות באיור 3C.

תוצאות אלה מראות כי מוליכות המדיום ממלאת תפקיד חשוב בהפרדת תאי סרטן השד הלא גרורתיים MCF-7 מתאי אפיתל שד שאינם סרטניים MCF-10A המבוססים על DEP. יתר על כן, כפי שמוצג באיור 3B, כדי להשיג הפרדה יעילה, יש להתאים את מוליכות המדיום באופן שהתאים יחוו pDEP או nDEP, בהתבסס על התכונות הדיאלקטריות שלהם בהתאמה.

לבסוף, ההשפעה של הכוח הדיאלקטרופורטי שהופעל, F DEP, על התנהגות המיון של שני קווי התאים נחקרה על ידי שמירה על מוליכות בינונית קבועה ב-0.4 S/m. FDEP היא פונקציה של התדירות של השדה החשמלי המופעל48,49, וכאשר התדירות של השדה החשמלי המופעל משתנה, התאים משנים את התנהגות ה-DEP שלהם. הסימולציות התחילו על ידי הגדרת התדר על 100 קילוהרץ, ונצפה שגם קווי התאים MCF-10A וגם MCF-7 חוו nDEP והתרחקו מאזור השדה החשמלי הגבוה לכיוון השקע התחתון, כפי שמוצג באיור 4A. ככל שהתדר גדל, התנהגות ה-DEP של שני קווי התאים נותרה ללא שינוי עד 0.8 מגה-הרץ, כאשר MCF-10A שינה את התנהגות ה-DEP שלהם וחצה לאזור ה-pDEP. זוהי הנקודה עם ההפרדה המרבית בין תאי התגובה של DEP הנחקרים ויעילות המיון המרבית, כפי שניתן לראות באיור 4B. כאשר התדר הוגדל ל-100 מגה-הרץ, נצפה ששני קווי התאים חוו pDEP והתקדמו לעבר השקע העליון, כפי שניתן לראות באיור 4C. בתדרים גבוהים יותר מעל 0.8 מגה-הרץ, התאים החלו לשתק בדפנות הערוץ. אימוביליזציה של תאים בקירות התעלה יכולה להוביל לאובדן תאים במהלך תהליך המיון, אשר, בתורו, יש השפעה על היעילות הכוללת של המכשיר. ההשפעה של כוחות אלה יכולה גם לגרום לאובדן חמור בחיוניות התא אם הם נחשפים לתקופה ארוכה יותר של זמן. Yang et al. כימתו את ההשפעה של כוחות DEP על קו תאים של ליסטריה מונוציטוגנים על ידי חשיפתם לשדה חשמלי AC של 5 מגה-הרץ ולמתח שיא של 20V PP50. התוצאות שלהם הצביעו על אובדן תאים בר קיימא של 56%-89% כאשר נשמר תחת השפעת כוח DEP במשך 4 שעות. באופן דומה, דווח גם כי לכוחות DEP יש השפעה על תנועת התאים כאשר הם תלויים בתווך הניתן לקיטוב, והם שימשו לשיתוק תאים. Ettehad et al. דיווחו על מכשיר מיקרופלואידי עם אלקטרודות משולבות (IDEs) שהשתמש בתדר AC של 1 מגה-הרץ ו-20 וולטPP כדי לשתק תאי שמרים51. הם הראו כי אימוביליזציה של תאי השמרים שלהם הייתה תלויה ביחס הגובה-רוחב של המרווח בין ה-IDEs שלהם לבין המתח המופעל. העלייה ביחס הגובה-רוחב של מרווח IDE הביאה לירידה חדה באימוביליזציה של תאים, וכדי לשתק תאים במכשירים עם מרווח גדול יותר בין IDEs, נדרשV PP גבוה יותר. אימוביליזציה של תאים היא יישום רצוי כאשר תאים נדרשים להיות לכודים לצורך ניתוח או צמיחה. התוצאות הקודמות הראו בבירור כי לתדר ולמתח AC המופעלים יש השפעה על אימוביליזציה של התא. ביישומים שבהם מיון או סינון בתפוקה גבוהה הם התוצאה הרצויה, אימוביליזציה של התא גורמת לאובדן תאים ומפחיתה את יעילות הפלט של המכשיר.

על מנת לכמת את ההשפעה של תדר ומתח מופעלים על אימוביליזציה של תאים, הופעלו סדרה של סימולציות מתחום התדרים קילו-הרץ למגה-הרץ במתח מופעל קבוע של 1.5וולט PP. התוצאות מוצגות באיור משלים S4. התוצאות גילו כי בתדרים בתחום הקילוהרץ, האימוביליזציה של התאים בדפנות התעלה הייתה נמוכה בהרבה בהשוואה לתדרים בתחום ה-MHz. מכיוון שכוח DEP נמצא ביחס ישר לתדר AC המופעל, אנו יכולים להסיק שבכוח DEP גבוה, האימוביליזציה של התאים בולטת יותר. עבור התקן מיקרופלואידי זה, יהיה אובדן תאים במהלך המיון של תאי MCF7 ו- MCF-10A מכיוון שהוא נדרש לפעול בתדרים הגדולים מ-0.8 מגה-הרץ. ההשפעה של התפלגות אקראית של תאים בכניסה נחקרה עוד יותר על ידי בחירת תנאי גבול התפלגות אקראית. יותר אינטראקציות בין דופן התא נצפו במקרה זה, כפי שניתן לראות באיור משלים 5.

Figure 4
איור 4: מיון תאים עם מוליכות בינונית קבועה. השפעת התדירות של שדה AC המיושם על הפרדת תאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) במכשיר המיקרופלואידי מדומה. (A) f= 100 KHz; (B) f= 0.8 מגה-הרץ; (C) f= 100 מגה-הרץ. מוליכות המדיום הנוזלי נקבעה על σ m = 0.4 S/m . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

תכונות דיאלקטריות לסימולציה ציטופלסמה ε ציטופלסמה σ
(S/m)		 קרום ε קרום σ
(S/m)
MCF-7 50 0.8 11 6× 10-6
MCF-10A 100 0.1 11 6
f0 800 [קילוהרץ] 1.2 x 103 הרץ תדירות השדה החשמלי
sigma_f 0.4 [S/m] 0.8 S/m מוליכות בינונית נוזלית
epsilon_f 80 80 התרה יחסית נוזלית
rho_f 1000 [ק"ג/מ"ק 3] 1000 ק"ג/מ"ק צפיפות נוזל
mu_f 1 x 10-3 [Pa·s] 0.001 Pa·s צמיגות דינמית זורמת
rho_p 1050 [ק"ג/מ"ק 3] 1050 ק"ג/מ"ק צפיפות חלקיקים
dp1 17 [מיקרומטר] 1.7 x 10-5 מטר קוטר החלקיקים
dp2 16 [אממ] 1.6 x 10-5 מטר קוטר החלקיקים
sigma_p1 0.8 [S/m] 0.6 S/m מוליכות חלקיקים
sigma_p2 0.1 [S/m] 1.1 S/m מוליכות חלקיקים
epsilon_p1 50 55 היתרים יחסיים בריאים
epsilon_p2 100 65 התרת סרטן יחסית
sigma_s1 6 x 10-6 [S/m] 6 x 10-6 S/m מוליכות חשמלית מעטפת
sigma_s2 6 [S/m] 6 S/m מוליכות חשמלית מעטפת
epsilon_s1 11 11 התרה יחסית של מעטפת
epsilon_s2 11 11 התרה יחסית של מעטפת
th_s1 7 [ננומטר] 7 x 10-9 מטר עובי המעטפת
th_s2 7 [ננומטר] 7 x 10-9 מטר עובי המעטפת

טבלה 1: פרמטרי הפעלה. תכונות דיאלקטריות של MCF-7 ו- MCF-10A

סרטון 1: סרטון המציג את שלבי הפרוטוקול. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

וידאו 2: וידאו מיון תאים. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

קובץ משלים 1: המשוואות השולטות והרקע התיאורטי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 1: עיצוב המכשיר ופרמטרים. עיצוב מכשיר מיקרופלואידי המדגיש חלקים שונים של המכשיר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: רווח בין אלקטרודות. הפער בין שתי אלקטרודות תיקון. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 3: מחקר עצמאות רשת. מחקר עצמאות רשת המתאר את ההשפעה של גדלי רשת שונים על מיון תאי MCF-7 ו-MCF-10A. (A) גדלי הרשת השונים של ההתקן המיקרופלואידי, המתארים את מספר האלמנטים עבור כל רשת שינוי. מספר האלמנטים המרכיבים את הרשת גדל מרשת גסה יותר לרשת עדינה יותר. (B) מיון של תאי MCF7 ו-MCF-10A בגדלים שונים של רשתות שינוי על-ידי שמירה על כל פרמטרי ההפעלה האחרים קבועים. גדלי הרשת העדינים והעדינים יותר מפיקים את התוצאות הטובות ביותר למיון. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 4: אימוביליזציה של תאים ובדיקת התפלגות אקראית. סימולציות שבוצעו עבור תדרים בין 10 KHz ל 6 MHz כדי לאמת את ההשפעה של כוח DEP על אימוביליזציה של התא. (A) ב- f = 10 קילוהרץ, לא נצפו מיון ואימוביליזציה של תאים. (B) ב- f = 200 קילוהרץ, לא נצפו מיון ואימוביליזציה של תאים. (C) ב- f = 0.8 MHz, מיון ואימוביליזציה של תאים בקירות היציאה נצפים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 5: התפלגות אקראית. חלקיקים המפוזרים באופן אקראי בפתח השבב. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

טבלה משלימה 1: השוואה בין התקני מיון מיקרופלואידיים שונים מבוססי DEP. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

התקנים מיקרופלואידיים דווחו בעבר עבור תרבית תאים, לכידה ומיון 47,52,53. הייצור של התקנים אלה בחדר הנקי הוא תהליך יקר, והכרחי לכמת את התפוקה והיעילות של התקן מיקרופלואידי מוצע באמצעות סימולציות CFD. מחקר זה מציג תכנון וסימולציות של מכשיר מיקרופלואידי AC-דיאלקטרופורטי להפרדה מתמשכת של תאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) בהתבסס על תכונותיהם הדיאלקטריות23.

המכשיר מופעל על ידי הפעלת שדה חשמלי AC באמצעות קבוצה של שני מיקרואלקטרודות המשובצות בתעלת מיון מיקרופלואידית אחת כדי להפריד בין תאי MCF-7 ו-MCF-10A בהתבסס על תכונותיהם הדיאלקטריות. יעילות ההפרדה של המכשיר הייתה מדומה באופן חישובי עבור ערכים שונים של מוליכות בינונית ועבור טווח של תדרי AC מיושמים. ערכי התדר AC ומוליכות המדיה האופטימליים שהוחלו נמצאו כ- 0.8 MHz ו- 0.4 S/m, בהתאמה. מתח נמוך של1.5 V p-p שימש לאורך כל הסימולציות. טווח תדרי AC המיושם והמתח המופעל דומים לספרותשדווחה בעבר 23,47. בתדרים מעל 1 מגה-הרץ, נצפה אפקט אימוביליזציה של התא, שיש לקחת בחשבון עבור עיצובים עתידיים של מכשירים וייצור. אנו מציינים אימוביליזציה זו של תאים כמגבלה של השיטה שלנו בהקשר של יישומי מיון תאים. אנו מאמינים שאימוביליזציה של תאים בתדרים גבוהים יותר יכולה לשמש להתמיינות תאים כפי שדווח בעבר בספרות54, מה שנותן לתכנון המוצע הזה כיוון חדש. יישום זה יהיה עניין רב לחוקרים בביולוגיה סינתטית.

השלבים הקריטיים ליישום נכון של פרוטוקול זה כוללים בחירה של צמתים פיזיקליים מתאימים ותת-צמתים (שלבים 1.5-1.9). שלבים אלה מהווים את הבסיס לפרוטוקול הסימולציה כולו ומסייעים לבחור את ערכי הפרמטרים עבור כל סוג תא, כוח מופעל ומתח מופעל. צעד קריטי נוסף הוא לבחור את מוליכות המדיום הנוזלי הנכונה ואת התדר המיושם. ניתן להשיג זאת על ידי הפעלת שלב פתרון בעיות של הטאטוא הפרמטרי. הטאטוא הפרמטרי של שני פרמטרים אלה יכול לסייע בקביעת הערכים האופטימליים לכל סימולציות עתידיות. לבסוף, מחקר עצמאות רשת הוא קריטי גם בהקשר של בחירת גודל הרשת המתאים לכל סימולציות עתידיות. מומלץ מאוד לבצע מחקר עצמאות רשת כשלב לפתרון בעיות לפני סיום כל סימולציות עתידיות.

מחקר זה מספק את הדוגמה הראשונה המבוססת על סימולציה של הפרדה מוטבעת של תאי סרטן שד לא גרורתיים (MCF-7) ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים (MCF-10A) בהתבסס על תכונותיהם הדיאלקטריות. אנו מאמינים שניתן ליישם תכנון זה עוד יותר עבור מיון תאים בר קיימא ולא בר קיימא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים על היעדר ניגודי עניינים פוטנציאליים.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי הוועדה להשכלה גבוהה של פקיסטן.

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

הנדסה גיליון 186
מכשיר מיקרופלואידי להפרדת תאים סרטניים שאינם גרורתיים (MCF-7) ושאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC
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