Dispositivo microfluídico para la separación de células de cáncer de mama no metastásico (MCF-7) y no tumoral (MCF-10A) mediante dielectroforesis AC

Este protocolo permite la separación de células cancerosas y sanas de forma controlada manteniendo constante la conductividad y cambiando la frecuencia aplicada. Este protocolo simula la clasificación controlada de células de cáncer de mama no metastásico y células epiteliales de mama no tumorales mediante dielectroforesis AC. Esta técnica es el primer ejemplo basado en simulación de separación en línea de células de cáncer de mama no metastásico y células epiteliales de mama no tumorales en función de sus propiedades dieléctricas.

Para comenzar, abra el software Multiphysics, seleccione el modelo en blanco y haga clic derecho en las definiciones globales. Seleccione los parámetros e importe los parámetros indicados en la tabla uno en definiciones globales como un archivo de texto o introduzca los valores individualmente. Seleccione Agregar componente en la pestaña de inicio y agregue un componente 2D.

Haga clic con el botón derecho en geometría e importe el archivo de modelo haciendo doble clic en el archivo. Elija un material en blanco y utilice las propiedades del material de la tabla uno. Vaya a la pestaña de inicio, seleccione Agregar física y escriba AC / DC.

Luego vaya al nodo AC / DC debajo del subnodo de campos eléctricos y corrientes y elija corrientes eléctricas como física. Aísle las paredes del canal para asignar potencial a los electrodos haciendo clic derecho en la corriente eléctrica y eligiendo los subnodos de conservación de corriente, aislamiento y potencial eléctrico. A continuación, seleccione Agregar física en la pestaña de inicio y, debajo del nodo de flujo de fluido, vaya al flujo monofásico del subnodo y elija física de flujo progresivo.

Haga clic con el botón derecho en el flujo monofásico y renderice los límites del chip como paredes utilizando el subnodo de pared. Haga clic con el botón derecho en el flujo monofásico y agregue dos subnodos de entrada y un subnodo de salida. Asigne las entradas utilizando el subnodo de entrada y use la velocidad normal y de flujo como condición límite.

Asigne la salida utilizando el subnodo de salida. Luego seleccione Agregar física en la pestaña de inicio y, debajo del nodo de flujo de fluidos, vaya al subnodo de seguimiento de partículas y elija física de flujo de rastreo de partículas. Haga clic con el botón derecho en el nodo de seguimiento de partículas y compruebe la configuración.

Establezca las propiedades de partícula para las celdas MCF-10A y MCF-7 utilizando el subnodo de propiedades de partícula. Elija las propiedades de partícula de los parámetros de la sección de definición global. Agregue el subnodo de fuerza de arrastre para asignar la fuerza dielectroforética a ambos tipos de celdas.

En este caso, agregue las propiedades de partícula de la sección de parámetros. Ahora elija Agregar malla y seleccione Malla fina en la pestaña de inicio. Para construir una malla, seleccione Construir malla y haga clic en Agregar estudio para agregar tres pasos de estudio.

El primer paso del estudio es para simular una respuesta de frecuencia y usar un subnodo de dominio de frecuencia. Para simular el flujo progresivo, elija un nodo de estudio estacionario. Agregue dos pasos dependientes del tiempo para simular condiciones con fuerza dielectroforética y sin fuerza dielectroforética.

Para la condición dielectroforética del nodo, elija la selección de física y variable, marque la casilla modificar configuración del modelo para la configuración del estudio y deshabilite el paso dielectroforético. Para condiciones dielectroforéticas, no desactivar. Ejecute la simulación después de guardar el archivo.

Después de realizar las simulaciones CFD introduciendo líneas celulares epiteliales de mama no metastásicas y no tumorales de mama, resuelva dos conjuntos de estudios CFD. Para el primer conjunto, haga clic derecho en el estudio uno y agregue el subnodo de barrido paramétrico. Presione el signo más para agregar sigma_m de conductividad del medio fluido como variable de barrido.

Realice un estudio de barrido paramétrico para el fluido medio sigma_m que oscile entre 0,01 y 2,5 Siemens por metro, manteniendo constante la frecuencia aplicada en 800 kilohercios. Para el segundo conjunto, realice un estudio de barrido paramétrico variando la frecuencia de CA aplicada de 100 kilohercios a 100 megahercios, manteniendo la conductividad del medio fluido sigma_m fija a 0,4 Siemens por metro. Calcule la fuerza de la fuerza de dielectroforesis ejercida sobre una partícula esférica dieléctrica en un medio conductor utilizando esta ecuación bajo el subnodo de fuerza dielectroforética.

Utilice esta ecuación para una partícula esférica bajo el subnodo de fuerza dielectroforética. Para una partícula esférica bajo el subnodo de fuerza dielectroforética, use esta ecuación. Utilice una forma modificada de la ecuación anterior para modelar células biológicas como las células de mamíferos, que son más complejas y tienen una estructura de múltiples capas.

Luego resuelve la permeabilidad compleja usando esta ecuación. Luego grafique REK en función del campo eléctrico aplicado para el cáncer y las células sanas. Haga clic con el botón derecho en el nodo de resultados.

Agregue el subnodo de evaluación de partículas. Y en la sección de expresión, escriba fpt.deff1. K para trazar el factor CM para la partícula uno y fpt.deff2.

K para la partícula dos. Bajo la conductividad del medio fluido de 0,01 Siemens por metro y la frecuencia de CA de 100 kilohercios, las células MCF-10A y MCF-7 experimentan dielectroforesis positiva con un valor REK de 0,82 y 0,76. A la conductividad de 0,4 Siemens por metro, MCF-10A y MCF-7 mostraron un comportamiento dielectroforético negativo con valores REK de menos 0,46 y menos 0,31 respectivamente.

Cuando la conductividad se incrementó a 1,2 Siemens por metro, las líneas celulares experimentaron dielectroforesis negativa a 100 kilohercios con valores REK menos 0,49 y menos 0,43. Bajo la conductividad de 0,01 Siemens por metro, ambos tipos de células experimentaron dielectroforesis positiva, se movieron hacia la región de alta intensidad de campo eléctrico y salieron de la salida superior. Las células MCF-10A se movieron a la salida superior, mientras que las células MCF-7 se movieron a la salida inferior cuando la conductividad se incrementó a 0,4 Siemens por metro con la frecuencia aplicada fijada en 0,8 megahercios.

A medida que la conductividad media se incrementó a 1,2 Siemens por metro, las líneas celulares se alejaron de las regiones de alto campo eléctrico. A una frecuencia de 100 kilohercios, ambas líneas celulares experimentaron dielectroforesis negativa y se movieron hacia la salida inferior. El comportamiento de ambas líneas celulares se mantuvo sin cambios hasta 0,8 megahercios.

Más allá de eso, MCF-10A cambió su comportamiento dielectroforético y cruzó a la región dielectroforética positiva. A 100 megahercios, ambas líneas celulares experimentaron dielectroforéticos positivos y se movieron hacia la salida superior. Estas técnicas abrirán nuevos lugares para los investigadores que desean separar células viables y no viables y clasificar diferentes tipos de células cancerosas si las propiedades dieléctricas no son las mismas.

Además, la clasificación basada en diferentes tamaños se puede lograr utilizando el mismo método.