Dispositif microfluidique pour la séparation de cellules cancéreuses du sein non métastatiques (MCF-7) et non tumorales (MCF-10A) par diélectrophorèse AC

Ce protocole permet la séparation du cancer et des cellules saines de manière contrôlée en maintenant la conductivité constante et en modifiant la fréquence appliquée. Ce protocole simule le tri contrôlé des cellules cancéreuses du sein non métastatiques et des cellules épithéliales mammaires non tumorales à l’aide de la diélectrophorèse AC. Cette technique est le premier exemple basé sur la simulation de séparation en ligne de cellules cancéreuses du sein non métastatiques et de cellules épithéliales mammaires non tumorales en fonction de leurs propriétés diélectriques.

Pour commencer, ouvrez le logiciel Multiphysics, sélectionnez le modèle vierge et cliquez avec le bouton droit de la souris sur les définitions globales. Sélectionnez les paramètres et importez les paramètres indiqués dans le premier tableau dans les définitions globales sous forme de fichier texte ou entrez les valeurs individuellement. Sélectionnez Ajouter un composant dans l’onglet Accueil et ajoutez un composant 2D.

Cliquez avec le bouton droit sur la géométrie et importez le fichier de modèle en double-cliquant sur le fichier. Choisissez un matériau vierge et utilisez les propriétés du matériau du premier tableau. Accédez à l’onglet Accueil, sélectionnez Ajouter une physique et tapez AC/DC.

Ensuite, allez au nœud AC / DC sous le sous-nœud des champs et des courants électriques et choisissez les courants électriques comme physique. Isolez les parois du canal pour attribuer un potentiel aux électrodes en cliquant avec le bouton droit de la souris sur le courant électrique et en choisissant les sous-nœuds de conservation du courant, d’isolation et de potentiel électrique. Ensuite, sélectionnez Ajouter une physique dans l’onglet d’accueil et sous le nœud d’écoulement du fluide, accédez au flux monophasé du sous-nœud et choisissez la physique de l’écoulement rampant.

Cliquez avec le bouton droit sur le flux monophasé et affichez les limites de la puce sous forme de murs à l’aide du sous-nœud mural. Cliquez avec le bouton droit sur le flux monophasé et ajoutez deux sous-nœuds d’entrée et un sous-nœud de sortie. Affectez les entrées à l’aide du sous-nœud d’entrée et utilisez la vitesse normale et la vitesse d’écoulement comme condition aux limites.

Affectez la prise à l’aide du sous-nœud de sortie. Sélectionnez ensuite Ajouter une physique dans l’onglet d’accueil et sous le nœud d’écoulement du fluide, accédez au sous-nœud du traçage des particules et choisissez Physique de l’écoulement du traçage des particules. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le nœud de traçage des particules et vérifiez les paramètres.

Définissez les propriétés des particules pour les cellules MCF-10A et MCF-7 à l’aide du sous-nœud des propriétés des particules. Choisissez les propriétés des particules dans les paramètres de la section de définition globale. Ajoutez le sous-nœud de force de glissement pour affecter la force diélectrophorétique aux deux types de cellules.

Dans ce cas, ajoutez les propriétés de la particule à partir de la section paramètre. Maintenant, choisissez Ajouter un maillage et sélectionnez Maillage fin dans l’onglet d’accueil. Pour créer un maillage, sélectionnez Construire un maillage et cliquez sur Ajouter une étude pour ajouter trois étapes d’étude.

La première étape de l’étude consiste à simuler une réponse en fréquence et à utiliser un sous-nœud du domaine fréquentiel. Pour simuler l’écoulement rampant, choisissez un nœud d’étude stationnaire. Ajouter deux étapes dépendantes du temps pour simuler des conditions avec une force diélectrophorétique et sans force diélectrophorétique.

Pour la condition diélectrophorétique du nœud, choisissez la physique et la sélection des variables, cochez la case Modifier la configuration du modèle pour la configuration de l’étude et désactivez l’étape diélectrophorétique. Pour les conditions diélectrophorétiques, ne pas désactiver. Exécutez la simulation après avoir enregistré le fichier.

Après avoir effectué les simulations CFD en introduisant le cancer du sein non métastatique et les lignées cellulaires épithéliales mammaires non tumorales, résolvez deux séries d’études CFD. Pour le premier ensemble, cliquez avec le bouton droit de la souris sur la première étude et ajoutez le sous-nœud de balayage paramétrique. Appuyez sur le signe plus pour ajouter la conductivité du milieu fluide sigma_m comme variable de balayage.

Effectuer une étude de balayage paramétrique pour le milieu fluide sigma_m allant de 0,01 à 2,5 Siemens par mètre, en maintenant la fréquence appliquée constante à 800 kilohertz. Pour la deuxième série, effectuer une étude de balayage paramétrique en faisant varier la fréquence AC appliquée de 100 kilohertz à 100 mégahertz, en maintenant la conductivité du milieu fluide sigma_m fixée à 0,4 Siemens par mètre. Calculer la force de la force de diélectrophorèse exercée sur une particule sphérique diélectrique dans un milieu conducteur en utilisant cette équation sous le sous-nœud de force diélectrophorétique.

Utilisez cette équation pour une particule sphérique sous le sous-nœud de force diélectrophorétique. Pour une particule sphérique sous le sous-nœud de force diélectrophorétique, utilisez cette équation. Utilisez une forme modifiée de l’équation précédente pour modéliser des cellules biologiques telles que des cellules de mammifères qui sont plus complexes et ont une structure multicouche.

Résolvez ensuite la perméabilité complexe à l’aide de cette équation. Ensuite, tracez REK en fonction du champ électrique appliqué pour le cancer et les cellules saines. Cliquez avec le bouton droit sur le nœud de résultats.

Ajoutez le sous-nœud d’évaluation des particules. Et dans la section expression, tapez fpt.deff1. K pour tracer le facteur CM pour la particule un et fpt.deff2.

K pour la particule deux. Sous la conductivité fluide de 0,01 Siemens par mètre et la fréquence AC de 100 kilohertz, les cellules MCF-10A et MCF-7 subissent une diélectrophorèse positive avec une valeur REK de 0,82 et 0,76. À la conductivité de 0,4 Siemens par mètre, MCF-10A et MCF-7 ont montré un comportement diélectrophorétique négatif avec des valeurs REK de moins 0,46 et moins 0,31 respectivement.

Lorsque la conductivité a été augmentée à 1,2 Siemens par mètre, les lignées cellulaires ont subi une diélectrophorèse négative à 100 kilohertz avec des valeurs REK moins 0,49 et moins 0,43. Sous la conductivité de 0,01 Siemens par mètre, les deux types de cellules ont connu une diélectrophorèse positive, se sont déplacés vers la région de champ électrique élevé et sont sortis de la sortie supérieure. Les cellules MCF-10A se sont déplacées vers la sortie supérieure, tandis que les cellules MCF-7 se sont déplacées vers la sortie inférieure lorsque la conductivité a été augmentée à 0,4 Siemens par mètre avec la fréquence appliquée fixée à 0,8 mégahertz.

Comme la conductivité du milieu a été augmentée à 1,2 Siemens par mètre, les lignées cellulaires se sont éloignées des régions de champ électrique élevé. À une fréquence de 100 kilohertz, les deux lignées cellulaires ont subi une diélectrophorèse négative et se sont déplacées vers la sortie inférieure. Le comportement des deux lignées cellulaires est resté inchangé jusqu’à 0,8 mégahertz.

Au-delà de cela, MCF-10A a changé leur comportement diélectrophorétique et est passé à la région diélectrophorétique positive. À 100 mégahertz, les deux lignées cellulaires ont connu un diélectrophorétique positif et se sont déplacées vers la sortie supérieure. Ces techniques ouvriront de nouvelles voies aux chercheurs qui veulent séparer les cellules viables et non viables et trier différents types de cellules cancéreuses si les propriétés diélectriques ne sont pas les mêmes.

En outre, le tri basé sur différentes tailles peut être réalisé en utilisant la même méthode.