מכשיר מיקרופלואידי להפרדת תאים סרטניים שאינם גרורתיים (MCF-7) ושאינם סרטניים (MCF-10A) באמצעות דיאלקטרופורזה AC
11 באוגוסט 2022
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.
פרוטוקול זה מאפשר הפרדה של סרטן ותאים בריאים באופן מבוקר על ידי שמירה על מוליכות קבועה ושינוי התדירות המיושמת. פרוטוקול זה מדמה מיון מבוקר של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים באמצעות דיאלקטרופורזה AC. טכניקה זו היא הדוגמה הראשונה המבוססת על סימולציה של הפרדה מוטבעת של תאי סרטן שד שאינם גרורתיים ותאי אפיתל שד שאינם סרטניים בהתבסס על תכונותיהם הדיאלקטריות.
כדי להתחיל, פתח את תוכנת Multiphysics, בחר את המודל הריק ולחץ לחיצה ימנית על ההגדרות הגלובליות. בחר פרמטרים וייבא את הפרמטרים שניתנו בטבלה הראשונה להגדרות כלליות כקובץ טקסט או הזן את הערכים בנפרד. בחר את הוסף רכיב מכרטיסיית הבית והוסף רכיב דו-ממדי.
לחץ לחיצה ימנית על גיאומטריה וייבא את קובץ המודל על ידי לחיצה כפולה על הקובץ. בחר חומר ריק והשתמש בתכונות החומר מהטבלה הראשונה. עבור אל הכרטיסיה בית, בחר הוסף פיזיקה והקלד AC/DC.
לאחר מכן עבור לצומת AC/DC תחת תת-צומת של שדות וזרמים חשמליים ובחר זרמים חשמליים כפיזיקה. לבודד את דפנות התעלה כדי להקצות פוטנציאל לאלקטרודות על ידי לחיצה ימנית על הזרם החשמלי ובחירת תת-הצמתים של שימור הזרם, בידוד ופוטנציאל חשמלי. לאחר מכן, בחר הוסף פיזיקה מכרטיסיית הבית ומתחת לצומת זרימת הנוזלים, עבור אל הזרימה החד-פאזית התת-קרקעית ובחר פיזיקת זרימה זוחלת.
לחץ לחיצה ימנית על הזרימה החד-פאזית ועבד את גבולות השבב כקירות באמצעות תת-הצומת של הקיר. לחץ לחיצה ימנית על הזרימה החד-פאזית והוסף שני subnodes כניסה וצומת כניסה אחד. הקצה את הכניסות באמצעות תת-צומת הכניסה והשתמש במהירות רגילה ובמהירות זרימה כתנאי הגבול.
הקצה את השקע באמצעות צומת המשנה של היציאה. לאחר מכן בחר הוסף פיזיקה מכרטיסיית הבית ומתחת לצומת זרימת הנוזלים, עבור אל תת-הצומת של מעקב אחר חלקיקים ובחר פיזיקת זרימה של מעקב אחר חלקיקים. לחץ לחיצה ימנית על צומת מעקב החלקיקים ובדוק את ההגדרות.
הגדר את תכונות החלקיקים הן עבור תאי MCF-10A והן עבור תאי MCF-7 באמצעות תת-הצומת של תכונות החלקיקים. בחר את מאפייני החלקיקים מהפרמטרים תחת סעיף ההגדרה הגלובלית. הוסף את תת-צומת כוח הגרר כדי להקצות את הכוח הדיאלקטרופורטי לשני סוגי התאים.
במקרה זה, הוסף את מאפייני החלקיקים ממקטע הפרמטר. כעת בחר הוסף רשת שינוי ובחר רשת שינוי משובחת מהכרטיסייה בית. לבניית רשת שינוי, בחר בנה רשת ולחץ על הוסף לימוד כדי להוסיף שלושה שלבי לימוד.
שלב ראשון של המחקר הוא להדמיית תגובת תדר ושימוש בתת-צומת של תחום תדרים. כדי לדמות זרימה זוחלת, בחר צומת מחקר נייח. הוסף שני שלבים תלויי זמן כדי לדמות תנאים עם כוח דיאלקטרופורטי וללא כוח דיאלקטרופורטי.
עבור מצב dielectrophoretic הצומת, בחר את בחירת הפיזיקה והמשתנים, סמן את התיבה שנה את תצורת המודל עבור הגדרת המחקר והשבת את השלב הדיאלקטרופורטי. עבור תנאים דיאלקטרופורטיים, אין להשבית. הפעל את ההדמיה לאחר שמירת הקובץ.
לאחר ביצוע סימולציות CFD על ידי החדרת סרטן שד לא גרורתי וקווי תאי אפיתל שד שאינם סרטניים, פתור שתי קבוצות של מחקרי CFD. עבור הקבוצה הראשונה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מחקר אחד והוסף את תת-הצומת הפארמטרי לטאטא. לחץ על סימן הפלוס כדי להוסיף מוליכות בינונית נוזלית sigma_m כמשתנה הטאטוא.
בצע מחקר טאטוא פרמטרי עבור מוליכות המדיום הנוזלי sigma_m הנעה בין 0.01 ל-2.5 סימנס למטר, תוך שמירה על התדר המיושם קבוע על 800 קילוהרץ. עבור הקבוצה השנייה, בצע מחקר טאטוא פרמטרי על ידי שינוי תדר ה- AC המופעל מ- 100 קילוהרץ ל- 100 מגה-הרץ, תוך שמירה על מוליכות התווך הנוזלי sigma_m קבועה ב- 0.4 סימנס למטר. חשב את עוצמת הכוח הדיאלקטרופורזה המופעל על חלקיק כדורי דיאלקטרי בתווך מוליך באמצעות משוואה זו תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי.
השתמש במשוואה זו עבור חלקיק כדורי תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי. עבור חלקיק כדורי תחת תת-צומת הכוח הדיאלקטרופורטי, השתמש במשוואה זו. השתמש בצורה שונה של המשוואה הקודמת כדי ליצור מודלים של תאים ביולוגיים כגון תאי יונקים שהם מורכבים יותר ובעלי מבנה רב-שכבתי.
לאחר מכן פתור חדירות מורכבת באמצעות משוואה זו. לאחר מכן מתווה REK כפונקציה של השדה החשמלי המיושם עבור סרטן ותאים בריאים. לחץ לחיצה ימנית על צומת התוצאות.
הוסף את תת-הצומת להערכת חלקיקים. ובמקטע הביטוי, הקלד fpt.deff1. K כדי להתוות את גורם CM עבור חלקיק אחד ו- fpt.deff2.
K עבור חלקיק שני. תחת מוליכות בינונית נוזלית של 0.01 סימנס למטר ותדר AC של 100 קילוהרץ, תאי MCF-10A ו- MCF-7 חווים דיאלקטרופורזה חיובית עם ערך REK של 0.82 ו- 0.76. במוליכות של 0.4 סימנס למטר, MCF-10A ו- MCF-7 הראו התנהגות דיאלקטרופורטית שלילית עם ערכי REK של מינוס 0.46 ומינוס 0.31 בהתאמה.
כאשר המוליכות הוגדלה ל-1.2 סימנס למטר, קווי התאים חוו דיאלקטרופורזה שלילית ב-100 קילו-הרץ עם ערכי REK מינוס 0.49 ומינוס 0.43. תחת מוליכות של 0.01 סימנס למטר, שני סוגי התאים חוו דיאלקטרופורזה חיובית, נעו לעבר האזור של חוזק שדה חשמלי גבוה ועברו החוצה מהשקע העליון. תאי MCF-10A עברו לשקע העליון, בעוד שתאי MCF-7 עברו לשקע התחתון כאשר המוליכות הוגדלה ל-0.4 סימנס למטר כאשר התדר המופעל נקבע על 0.8 מגה-הרץ.
כאשר המוליכות הבינונית הוגדלה ל-1.2 סימנס למטר, קווי התאים התרחקו מאזורי השדה החשמלי הגבוה. בתדר של 100 קילו-הרץ, שני קווי התאים חוו דיאלקטרופורזה שלילית והתקדמו לכיוון השקע התחתון. ההתנהגות של שני קווי התאים נותרה ללא שינוי עד 0.8 מגה-הרץ.
מעבר לכך, MCF-10A שינה את התנהגותם הדיאלקטרופורטית ועבר לאזור הדיאלקטרופורטי החיובי. ב-100 מגה-הרץ, שני קווי התאים חוו דיאלקטרופורטי חיובי והתקדמו לעבר השקע העליון. טכניקות אלה יפתחו מקומות חדשים לחוקרים שרוצים להפריד בין תאים בני קיימא לתאים שאינם בני קיימא ולמיין סוגים שונים של תאים סרטניים אם התכונות הדיאלקטריות אינן זהות.
כמו כן, מיון המבוסס על גדלים שונים יכול להיות מושגת באותה שיטה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את התכונות הדיאלקטריות של תאי סרטן השד בהשוואה לתאי אפיתל של השד שאינם גידוליים, ומציע שיטה להפרדתם באמצעות התקן מיקרופלואידי. הטכניקה מנצלת דיאלקטרופורזה של זרם חילופין (AC dielectrophoresis) כדי להשיג מיון מבוקר המבוסס על הבדלים דיאלקטריים אלו.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ביולוגיה של התא
- הנדסה ביו-רפואית
- אונקולוגיה
רקע
- תאי סרטן השד מציגים תכונות דיאלקטריות מובחנות.
- תאי אפיתל של השד שאינם גידוליים משמשים כקבוצת ביקורת.
- ניתן להשתמש בתכונות דיאלקטריות לצורך הפרדת תאים.
- דיאלקטרופורזה בזרם חילופין (AC dielectrophoresis) היא טכניקה מבטיחה למטרה זו.
מטרת המחקר
- בניית מודל של התקן מיקרופלואידי למיון תאי סרטן השד ותאים בריאים.
- בחינת הפוטנציאל ליישומים של אימונותרפיה.
- הדגמת גישה מבוססת סימולציה להפרדת תאים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בתוכנת Multiphysics לצורך סימולציה.
- שמירה על מוליכות קבועה תוך שינוי התדר.
- יישום דיאלקטרופורזה (dielectrophoresis) בזרם חילופין (AC) למיון תאים.
- ייבוא פרמטרים למודל הסימולציה.
תוצאות עיקריות
- סימולציה מוצלחת של הפרדת תאים המבוססת על תכונות דיאלקטריות.
- הוכחת היתכנות להפרדה של סוגי תאים בקו רציף (inline).
- אספקת מסגרת עבודה לתיקוף ניסיוני עתידי.
- הדגשת הפוטנציאל ליישומים טיפוליים.
מסקנות
- המחקר מאשש את ההשערה בנוגע להבדלים הדיאלקטריים.
- דיאלקטרופורזה בזרם חילופין (AC dielectrophoresis) יעילה למיון תאי סרטן ותאים בריאים.
- שיטה זו עשויה לשפר אסטרטגיות של אימונותרפיה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך המנהלים
פלטפורמות מיקרופלואידיות דיאלקטרופורטיות מאפשרות הפרדה ללא סימון (label-free) ובעלת תפוקה גבוהה של תאי סרטן ותאים בריאים על בסיס תכונות דיאלקטריות פנימיות, ובכך הן תומכות בתיקוף של מטרות בשלבים מוקדמים ובצמצום סיכונים מכניסטיים. גישה זו, המונחית על ידי סימולציות, מספקת ביטחון חיזוי עבור תהליכי מיון תאים, ומקלה על פיתוח תבחינים (assays) חסונים ותעדוף תיקי פיתוח במחקר אונקולוגי. שילוב של שיטות אלו משפר את מהימנותם של מודלים פרה-קליניים ומסייע בקבלת החלטות מושכלות לגבי קידום הפיתוח בהתאם לסיכון.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הבחנה תפקודית בין סרטן שאינו גרורתי לבין תאים שאינם גידוליים באמצעות חתימות ביו-פיזיקליות.
- תומך בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי בידוד אוכלוסיות תאים ללא שימוש בסמנים או בנוגדנים.
- מספק מסגרת מבוססת סימולציה לבחינת היפותזות לגבי הבדלים בתכונות דיאלקטריות.
- מסייע בקבלת החלטות מוקדמות של go/no-go עבור מודלים אונקולוגיים מבוססי תאים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין אוכלוסיות תאים שעברו תיקוף עבור בדיקות פנוטיפיות או מכניסטיות בהמשך התהליך.
- מבצע סטנדרטיזציה של תנאי המיון על ידי אופטימיזציה של מוליכות התווך ותדר ה-AC.
- מאפשר פלטי הפרדה כמותיים וניתנים לשחזור לצורך מוכנות של הבדיקה.
- תומך בתהליכי עבודה בעלי תפוקה גבוהה וניתנים להרחבה לצורך הערכת תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את פרמטרי מיון התאים לסממנים ביופיזיקליים הרלוונטיים למחלה.
- שומר על רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות לבידוד עקבי של אוכלוסיות תאים.
- מפחית עמימות ביולוגית במודלים פרה-קליניים על ידי הבטחת טוהרן של אוכלוסיות ממוינות.
- מספקת פלטפורמה למחקרי ביומרקרים תרגומיים עתידיים המבוססים על תכונות דיאלקטריות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטה זו של דיאלקטרופורזה מיקרופלואידית משתלבת ברצף שבין שלבי הגילוי המוקדמים למחקרים פרה-קליניים, ומאפשרת מיון תאים חסון לצורך תיקוף מטרות, פיתוח בדיקות ומחקר תרגומי באונקולוגיה.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות ובהבהרת מסלולים באמצעות בידוד סוגי תאים על בסיס תגובה דיאלקטרית.
- סריקה: מספק פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות ומוכנות לסריקה.
- אנליטיקה: מספק נתונים פרמטריים על מוליכות וספי תדר להפרדה אופטימלית.
- מחקר תרגומי: מאפשר התאמה של מיון תאים עם סממנים ביו-פיזיקליים רלוונטיים למחלה לצורך המשכיות פרה-קלינית.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמת סימולציה ומיון ניתנת לשימוש חוזר, הניתנת להתאמה לסוגי תאים אחרים בעלי תכונות דיאלקטריות מובחנות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בתוצאות החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במודלים מבוססי תאים.
- ערך תפעולי: מספק תהליכי עבודה למיון תאים שהם סטנדרטיים, הדירים וניתנים להרחבה.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי הפחתת סיכונים בביולוגיה בשלבים מוקדמים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף וקידום של תוכניות אונקולוגיות מותאמות סיכון.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרופלואידיקה, דיאלקטרופורזה ותוכנות סימולציה.
- נדרשת גישה לתשתיות מידול חישובי ולערכי פרמטרים מתוקפים.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של מוליכות המדיום והגדרות התדר.
- התאמה לסוגי תאים אחרים עשויה לדרוש אפיון נוסף של תכונות דיאלקטריות.
- תיקוף מבוסס סימולציה קודם ליישום ניסיוני עבור יישומים חדשים.
