Mikrofluidisches Gerät zur Trennung von nicht-metastasierten (MCF-7) und nicht-tumoralen (MCF-10A) Brustkrebszellen mittels AC-Dielektrophorese
11. August 2022
Brustkrebszellen zeigen unterschiedliche dielektrische Eigenschaften im Vergleich zu Nicht-Tumor-Brustepithelzellen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass aufgrund dieses Unterschieds in den dielektrischen Eigenschaften die beiden Populationen für Immuntherapiezwecke getrennt werden können. Um dies zu unterstützen, modellieren wir ein mikrofluidisches Gerät zur Sortierung von MCF-7- und MCF-10A-Zellen.
Dieses Protokoll ermöglicht die kontrollierte Trennung von Krebs und gesunden Zellen, indem die Leitfähigkeit konstant gehalten und die angelegte Frequenz geändert wird. Dieses Protokoll simuliert die kontrollierte Sortierung von nicht-metastasierten Brustkrebszellen und Nicht-Tumor-Brustepithelzellen mittels AC-Dielektrophorese. Diese Technik ist das erste simulationsbasierte Beispiel für die Inline-Trennung von nicht-metastasierten Brustkrebszellen und Nicht-Tumor-Brustepithelzellen basierend auf ihren dielektrischen Eigenschaften.
Öffnen Sie zunächst die Multiphysics-Software, wählen Sie das leere Modell aus und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die globalen Definitionen. Wählen Sie Parameter aus und importieren Sie die in Tabelle eins angegebenen Parameter als Textdatei in globale Definitionen oder geben Sie die Werte einzeln ein. Wählen Sie auf der Registerkarte Start die Option Komponente hinzufügen und fügen Sie eine 2D-Komponente hinzu.
Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Geometrie und importieren Sie die Modelldatei durch Doppelklick auf die Datei. Wählen Sie ein leeres Material aus und verwenden Sie die Materialeigenschaften aus Tabelle eins. Gehen Sie zur Registerkarte Start, wählen Sie Physik hinzufügen und geben Sie AC/DC ein.
Gehen Sie dann zum AC / DC-Knoten unter dem Unterknoten elektrische Felder und Ströme und wählen Sie elektrische Ströme als Physik. Isolieren Sie die Kanalwände, um den Elektroden ein Potential zuzuweisen, indem Sie mit der rechten Maustaste auf den elektrischen Strom klicken und die Unterknoten Stromerhaltung, Isolierung und elektrisches Potential auswählen. Wählen Sie als Nächstes auf der Registerkarte Start die Option Physik hinzufügen aus, und wechseln Sie unter dem Knoten Flüssigkeitsfluss zum Unterknoten Einzelphasenfluss und wählen Sie Kriechflussphysik.
Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den einphasigen Fluss und rendern Sie die Chipgrenzen mithilfe des Wandunterknotens als Wände. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den einphasigen Fluss und fügen Sie zwei Einlassunterknoten und einen Ausgangsunterknoten hinzu. Weisen Sie die Einlässe mithilfe des Einlassunterknotens zu und verwenden Sie Normal- und Strömungsgeschwindigkeit als Randbedingung.
Weisen Sie den Ausgang über den Unterknoten Auslass zu. Wählen Sie dann auf der Registerkarte Start die Option Physik hinzufügen aus, und wechseln Sie unter dem Flüssigkeitsflussknoten zum Unterknoten der Partikelverfolgung und wählen Sie Partikelverfolgungsflussphysik. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Partikelverfolgungsknoten und überprüfen Sie die Einstellungen.
Legen Sie die Partikeleigenschaften für MCF-10A- und MCF-7-Zellen mithilfe des Unterknotens Partikeleigenschaften fest. Wählen Sie die Partikeleigenschaften aus den Parametern im Abschnitt globale Definition aus. Fügen Sie den Unterknoten Widerstandskraft hinzu, um beiden Zelltypen die dielektrophoretische Kraft zuzuweisen.
Fügen Sie in diesem Fall die Partikeleigenschaften aus dem Parameterabschnitt hinzu. Wählen Sie nun Add Mesh (Netz hinzufügen) und anschließend Fine Mesh (Feinnetz) auf der Registerkarte Home (Startseite). Um ein Netz zu erstellen, wählen Sie Netz erstellen und klicken Sie auf Studie hinzufügen, um drei Studienschritte hinzuzufügen.
Der erste Studienschritt besteht darin, einen Frequenzgang zu simulieren und einen Frequenzbereichsunterknoten zu verwenden. Um die schleichende Strömung zu simulieren, wählen Sie einen stationären Studienknoten. Fügen Sie zwei zeitabhängige Schritte hinzu, um Bedingungen mit dielektrophoretischer Kraft und ohne dielektrophoretische Kraft zu simulieren.
Wählen Sie für den dielektrophoretischen Zustand des Knotens die Auswahl Physik und Variable, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Modellkonfiguration ändern für den Studienaufbau und deaktivieren Sie den dielektrophoretischen Schritt. Bei dielektrophoretischen Bedingungen nicht deaktivieren. Führen Sie die Simulation nach dem Speichern der Datei aus.
Nach der Durchführung der CFD-Simulationen durch Einführung von nicht-metastasierendem Brustkrebs und nicht-tumoralen Brustepithelzelllinien lösen Sie zwei Sätze von CFD-Studien. Klicken Sie für den ersten Satz mit der rechten Maustaste auf Studie eins und fügen Sie den parametrischen Sweep-Unterknoten hinzu. Drücken Sie das Pluszeichen, um die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums sigma_m als Sweep-Variable hinzuzufügen.
Führen Sie eine parametrische Sweep-Studie für die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums sigma_m im Bereich von 0,01 bis 2,5 Siemens pro Meter durch, wobei die angelegte Frequenz konstant bei 800 Kilohertz gehalten wird. Führen Sie für den zweiten Satz eine parametrische Sweep-Studie durch, indem Sie die angelegte Wechselstromfrequenz von 100 Kilohertz bis 100 Megahertz variieren, wobei die Leitfähigkeit des Fluidmediums sigma_m auf 0,4 Siemens pro Meter festgelegt bleibt. Berechnen Sie die Stärke der Dielektrophoresekraft, die auf ein dielektrisches sphärisches Teilchen in einem leitfähigen Medium ausgeübt wird, indem Sie diese Gleichung unter dem dielektrophoretischen Kraftunterknoten verwenden.
Verwenden Sie diese Gleichung für ein sphärisches Teilchen unter dem Unterknoten dielektrophoretische Kraft. Verwenden Sie für ein sphärisches Teilchen unter dem dielektrophoretischen Kraftunterknoten diese Gleichung. Verwenden Sie eine modifizierte Form der vorherigen Gleichung, um biologische Zellen wie Säugetierzellen zu modellieren, die komplexer sind und eine mehrschichtige Struktur haben.
Lösen Sie dann die komplexe Permeabilität mit dieser Gleichung. Dann zeichnen Sie REK als Funktion des angelegten elektrischen Feldes für Krebs und gesunde Zellen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ergebnisknoten.
Fügen Sie den Unterknoten Partikelauswertung hinzu. Geben Sie im Ausdrucksabschnitt fpt.deff1 ein. K, um den CM-Faktor für Partikel eins und fpt.deff2 darzustellen.
K für Teilchen zwei. Unter der Leitfähigkeit des Fluidmediums von 0,01 Siemens pro Meter und einer AC-Frequenz von 100 Kilohertz erfahren die Zellen MCF-10A und MCF-7 eine positive Dielektrophorese mit einem RK-Wert von 0,82 und 0,76. Bei einer Leitfähigkeit von 0,4 Siemens pro Meter zeigten MCF-10A und MCF-7 ein negatives dielektrophoretisches Verhalten mit RK-Werten von minus 0,46 bzw. minus 0,31.
Wenn die Leitfähigkeit auf 1,2 Siemens pro Meter erhöht wurde, erlebten die Zelllinien eine negative Dielektrophorese bei 100 Kilohertz mit RK-Werten von minus 0,49 und minus 0,43. Unter der Leitfähigkeit von 0,01 Siemens pro Meter erlebten beide Zelltypen eine positive Dielektrophorese, bewegten sich in den Bereich hoher elektrischer Feldstärke und bewegten sich aus dem oberen Auslass heraus. MCF-10A-Zellen bewegten sich zum oberen Auslass, während MCF-7-Zellen zum unteren Ausgang verschoben wurden, als die Leitfähigkeit auf 0,4 Siemens pro Meter erhöht wurde, wobei die angelegte Frequenz auf 0,8 Megahertz festgelegt war.
Als die mittlere Leitfähigkeit auf 1,2 Siemens pro Meter erhöht wurde, entfernten sich die Zelllinien von den Regionen mit hohem elektrischen Feld. Bei einer Frequenz von 100 Kilohertz erlebten beide Zelllinien eine negative Dielektrophorese und bewegten sich in Richtung des unteren Auslasses. Das Verhalten beider Zelllinien blieb bis 0,8 Megahertz unverändert.
Darüber hinaus änderte MCF-10A sein dielektrophoretisches Verhalten und ging in den positiven dielektrophoretischen Bereich über. Bei 100 Megahertz erlebten beide Zelllinien eine positive Dielektrophoretik und bewegten sich in Richtung des oberen Auslasses. Diese Techniken werden neue Orte für Forscher eröffnen, die lebensfähige und nicht lebensfähige Zellen trennen und verschiedene Arten von Krebszellen sortieren wollen, wenn die dielektrischen Eigenschaften nicht gleich sind.
Auch die Sortierung nach verschiedenen Größen kann mit der gleichen Methode erreicht werden.
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Übersicht
Diese Studie untersucht die dielektrischen Eigenschaften von Brustkrebszellen im Vergleich zu nicht-tumoralen Brustepithelzellen und schlägt eine Methode zur Trennung mittels eines mikrofluidischen Geräts vor. Die Technik nutzt die Wechselstrom-Dielektrophorese, um eine gezielte Sortierung basierend auf diesen dielektrischen Unterschieden zu ermöglichen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Zellbiologie
- Biomedizinische Technik
- Onkologie
Hintergrund
- Brustkrebszellen weisen ausgeprägte dielektrische Eigenschaften auf.
- Nicht-tumorige Brustepithelzellen dienen als Kontrollgruppe.
- Dielektrische Eigenschaften können zur Zellseparation genutzt werden.
- Die Wechselstrom-Dielektrophorese ist eine aussichtsreiche Technik für diesen Zweck.
Zweck der Studie
- Ein mikrofluidisches Gerät zur Sortierung von Brustkrebs- und gesunden Zellen modellieren.
- Das Potenzial für Anwendungen in der Immuntherapie untersuchen.
- Einen simulationsbasierten Ansatz für die Zellseparation demonstrieren.
Verwendete Methoden
- Nutzung von Multiphysik-Software zur Simulation.
- Beibehaltung konstanter Leitfähigkeit bei Variation der Frequenz.
- Implementierung der Wechselstrom-Dielektrophorese zur Zellsortierung.
- Importieren der Parameter in das Simulationsmodell.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Simulation der Zellseparation basierend auf dielektrischen Eigenschaften.
- Nachgewiesene Machbarkeit der inline-Separation von Zelltypen.
- Bereitstellung eines Rahmens für die zukünftige experimentelle Validierung.
- Aufgezeigt wurde das Potenzial für therapeutische Anwendungen.
Schlussfolgerungen
- Die Studie bestätigt die Hypothese bezüglich der dielektrischen Unterschiede.
- Die Wechselstrom-Dielektrophorese ist wirksam zur Sortierung von Krebs- und gesunden Zellen.
- Diese Methode könnte Immuntherapiestrategien verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Dielektrische mikrofluidische Plattformen ermöglichen die markierungsfreie, hochdurchsatzfähige Trennung von Krebs- und gesunden Zellen basierend auf intrinsischen dielektrischen Eigenschaften und unterstützen die Validierung von Zielstrukturen in frühen Entwicklungsstadien sowie die Reduzierung mechanistischer Risiken. Dieser simulationsbasierte Ansatz liefert vorhersagebasierte Sicherheit für Zellsortierungsabläufe und erleichtert die Entwicklung robuster Assays sowie die Priorisierung von Wirkstoffkandidaten in der Onkologieforschung. Die Integration solcher Methoden verbessert die Zuverlässigkeit präklinischer Modelle und unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung von Kandidaten.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die funktionelle Unterscheidung zwischen nicht-metastasierendem Krebs und Nicht-Tumorzellen anhand biophysikalischer Signaturen.
- Unterstützt die mechanistische Risikominderung durch die Isolierung von Zellpopulationen ohne Markierungen oder Antikörper.
- Bietet einen simulationsbasierten Rahmen für die Hypothesenprüfung von Unterschieden in dielektrischen Eigenschaften.
- Erleichtert Entscheidungen über Weiterführung oder Abbruch in frühen Phasen bei zellbasierten Onkologiemodellen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte Zellpopulationen für nachgeschaltete phänotypische oder mechanistische Assays vor.
- Standardisiert Sortierbedingungen durch Optimierung der Leitfähigkeit des Mediums und der Wechselstromfrequenz.
- Ermöglicht reproduzierbare, quantitative Trennungsergebnisse für die Assay-Bereitschaft.
- Unterstützt skalierbare, hochdurchsatzfähige Arbeitsabläufe für die Evaluierung von Verbindungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Passt die Parameter der Zellsortierung an krankheitsrelevante biophysikalische Marker an.
- Gewährleistet Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung, indem eine konsistente Isolierung von Zellpopulationen ermöglicht wird.
- Reduziert biologische Uneindeutigkeit in präklinischen Modellen durch Sicherstellung der Reinheit der sortierten Populationen.
- Bietet eine Plattform für zukünftige translationsmedizinische Biomarker-Studien, die auf dielektrischen Eigenschaften basieren.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese mikrofluidische Dielektrophorese-Methode fügt sich nahtlos in den Bereich von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Forschung ein und ermöglicht eine robuste Zellsortierung für die Zielvalidierung, Assay-Entwicklung und translationsmedizinische Forschung in der Onkologie.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und die Aufklärung von Signalwegen durch die Isolierung von Zelltypen basierend auf ihrem dielektrischen Antwortverhalten.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Ergebnisse zur Standardisierung von Assays und zur Vorbereitung von Screenings.
- Analytik: Stellt parametrische Daten zu Leitfähigkeit und Frequenzschwellen für eine optimale Trennung bereit.
- Translationale Forschung: Ermöglicht die Abstimmung der Zellsortierung auf krankheitsrelevante biophysikalische Marker, um die Kontinuität in der präklinischen Forschung sicherzustellen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine wiederverwendbare Simulations- und Sortierplattform, die an andere Zelltypen mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten in zellbasierten Modellen.
- Operationaler Wert: Ermöglicht standardisierte, reproduzierbare und skalierbare Zellsortierabläufe.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitalnutzungseffizienz, indem frühe biologische Risiken reduziert werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Onkologieprogrammen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in Mikrofluidik, Dielektrophorese und Simulationssoftware.
- Benötigt Zugang zu Rechenmodellierungsinfrastruktur und validierten Parametersätzen.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams hinsichtlich der Leitfähigkeit des Mediums und der Frequenzeinstellungen voraus.
- Die Anpassung auf andere Zelltypen kann eine zusätzliche Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften erfordern.
- Die experimentelle Umsetzung neuer Anwendungen geht eine simulationsbasierte Validierung voraus.
