Dispositivo microfluidico per la separazione di cellule di cancro al seno non metastatiche (MCF-7) e non tumorali (MCF-10A) mediante dielettroforesi AC
11 agosto 2022
Le cellule del cancro al seno presentano proprietà dielettriche diverse rispetto alle cellule epiteliali mammarie non tumorali. È stato ipotizzato che, sulla base di questa differenza di proprietà dielettriche, le due popolazioni possano essere separate ai fini dell'immunoterapia. Per supportare questo, modelliamo un dispositivo microfluidico per ordinare le celle MCF-7 e MCF-10A.
Questo protocollo permette la separazione delle cellule tumorali e sane in modo controllato mantenendo costante la conducibilità e modificando la frequenza applicata. Questo protocollo simula lo smistamento controllato delle cellule di carcinoma mammario non metastatico e delle cellule epiteliali mammarie non tumorali utilizzando la dielettroforesi AC. Questa tecnica è il primo esempio basato sulla simulazione di separazione in linea di cellule di cancro al seno non metastatiche e cellule epiteliali mammarie non tumorali in base alle loro proprietà dielettriche.
Per iniziare, apri il software Multiphysics, seleziona il modello vuoto e fai clic con il pulsante destro del mouse sulle definizioni globali. Selezionare i parametri e importare i parametri indicati nella tabella uno nelle definizioni globali come file di testo o immettere i valori singolarmente. Selezionare Aggiungi componente dalla scheda Home e aggiungere un componente 2D.
Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria e importare il file del modello facendo doppio clic sul file. Scegliete un materiale vuoto e utilizzate le proprietà del materiale della tabella uno. Vai alla scheda Home, seleziona Aggiungi fisica e digita AC/DC.
Quindi vai al nodo AC / DC sotto il sottonodo di campi e correnti elettriche e scegli correnti elettriche come fisica. Isolare le pareti del canale per assegnare potenziale agli elettrodi facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla corrente elettrica e scegliendo i sottonodi di conservazione della corrente, isolamento e potenziale elettrico. Quindi, seleziona Aggiungi fisica dalla scheda Home e sotto il nodo flusso fluido, vai al flusso monofase del sottonodo e scegli Fisica del flusso strisciante.
Fate clic con il pulsante destro del mouse sul flusso monofase ed eseguite il rendering dei limiti del chip come muri utilizzando il sottonodo muro. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul flusso monofase e aggiungere due sottonodi di ingresso e un sottonodo di uscita. Assegnate gli ingressi utilizzando il sottonodo di ingresso e utilizzate la normale e la velocità del flusso come condizione al contorno.
Assegnare la presa utilizzando il sottonodo di uscita. Quindi seleziona Aggiungi fisica dalla scheda Home e sotto il nodo del flusso del fluido, vai al sottonodo del tracciamento delle particelle e scegli Fisica del flusso di tracciamento delle particelle. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nodo di tracciamento delle particelle e controllare le impostazioni.
Impostare le proprietà delle particelle per entrambe le celle MCF-10A e MCF-7 utilizzando il sottonodo delle proprietà delle particelle. Scegliere le proprietà delle particelle dai parametri nella sezione definizione globale. Aggiungete il sottonodo della forza di trascinamento per assegnare la forza dielettroforetica a entrambi i tipi di celle.
In questo caso, aggiungere le proprietà delle particelle dalla sezione dei parametri. Ora scegli Aggiungi mesh e seleziona Mesh fine dalla scheda Home. Per costruire una mesh, selezionare Build Mesh e fare clic su Aggiungi studio per aggiungere tre passaggi di studio.
Il primo passo dello studio consiste nel simulare una risposta in frequenza e nell'utilizzare un sottonodo nel dominio della frequenza. Per simulare il flusso strisciante, scegli un nodo di studio stazionario. Aggiungere due passaggi dipendenti dal tempo per simulare condizioni con forza dielettroforetica e senza forza dielettroforetica.
Per la condizione dielettroforetica del nodo, scegliere la selezione fisica e variabile, selezionare la casella Modifica configurazione modello per l'impostazione dello studio e disabilitare la fase dielettroforetica. Per condizioni dielettroforetiche, non disabilitare. Eseguire la simulazione dopo aver salvato il file.
Dopo aver eseguito le simulazioni CFD introducendo linee cellulari epiteliali epiteliali non metastatiche di carcinoma mammario e non tumorale, risolvere due serie di studi CFD. Per il primo set, fare clic con il pulsante destro del mouse sullo studio uno e aggiungere il sottonodo sweep parametrico. Premete il segno più per aggiungere sigma_m fluido di conducibilità del mezzo come variabile sweep.
Eseguire uno studio parametrico sweep per la sigma_m di conducibilità fluida del fluido compresa tra 0,01 e 2,5 Siemens per metro, mantenendo costante la frequenza applicata a 800 kilohertz. Per il secondo set, condurre uno studio parametrico sweep variando la frequenza CA applicata da 100 kilohertz a 100 megahertz, mantenendo la conduttività del fluido sigma_m fissata a 0,4 Siemens per metro. Calcolare la forza della forza di dielettroforesi esercitata su una particella sferica dielettrica in un mezzo conduttivo usando questa equazione sotto il sottonodo della forza dielettroforetica.
Usa questa equazione per una particella sferica sotto il sottonodo della forza dielettroforetica. Per una particella sferica sotto il sottonodo della forza dielettroforetica, usa questa equazione. Utilizzare una forma modificata dell'equazione precedente per modellare cellule biologiche come le cellule di mammifero che sono più complesse e hanno una struttura a più strati.
Quindi risolvi la permeabilità complessa usando questa equazione. Quindi tracciare REK in funzione del campo elettrico applicato per il cancro e le cellule sane. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nodo dei risultati.
Aggiungere il sottonodo di valutazione delle particelle. Nella sezione dell'espressione digitare fpt.deff1. K per tracciare il fattore CM per la particella uno e fpt.deff2.
K per la particella due. Sotto la conduttività fluida del mezzo di 0,01 Siemens per metro e la frequenza CA di 100 kilohertz, le celle MCF-10A e MCF-7 sperimentano una dielettroforesi positiva con un valore REK di 0,82 e 0,76. Alla conduttività di 0,4 Siemens per metro, MCF-10A e MCF-7 hanno mostrato un comportamento dielettroforetico negativo con valori REK rispettivamente di meno 0,46 e meno 0,31.
Quando la conduttività è stata aumentata a 1,2 Siemens per metro, le linee cellulari hanno subito una dielettroforesi negativa a 100 kilohertz con valori REK meno 0,49 e meno 0,43. Sotto la conduttività di 0,01 Siemens per metro, entrambi i tipi di celle hanno sperimentato una dielettroforesi positiva, si sono spostati verso la regione di elevata intensità del campo elettrico e si sono spostati dalla presa superiore. Le celle MCF-10A si sono spostate sull'uscita superiore, mentre le celle MCF-7 si sono spostate sull'uscita inferiore quando la conduttività è stata aumentata a 0,4 Siemens per metro con la frequenza applicata fissata a 0,8 megahertz.
Poiché la conduttività media è stata aumentata a 1,2 Siemens per metro, le linee cellulari si sono allontanate dalle regioni ad alto campo elettrico. Alla frequenza di 100 kilohertz, entrambe le linee cellulari hanno subito una dielettroforesi negativa e si sono spostate verso l'uscita inferiore. Il comportamento di entrambe le linee cellulari è rimasto invariato fino a 0,8 megahertz.
Oltre a ciò, MCF-10A ha cambiato il suo comportamento dielettroforetico e ha attraversato la regione dielettroforetica positiva. A 100 megahertz, entrambe le linee cellulari hanno sperimentato un dielettroforetico positivo e si sono spostate verso l'uscita superiore. Queste tecniche apriranno nuove strade per i ricercatori che vogliono separare le cellule vitali e non vitali e ordinare diversi tipi di cellule tumorali se le proprietà dielettriche non sono le stesse.
Inoltre, l'ordinamento basato su dimensioni diverse può essere ottenuto utilizzando lo stesso metodo.
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Panoramica
Questo studio analizza le proprietà dielettriche delle cellule del cancro al seno in confronto alle cellule epiteliali mammarie non tumorali, proponendo un metodo per la loro separazione mediante un dispositivo microfluidico. La tecnica sfrutta la dielettroforesi in corrente alternata per ottenere un ordinamento controllato basato su queste differenze dielettriche.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biologia cellulare
- Ingegneria biomedica
- OnCOlogia
Sfondo
- Le cellule del cancro al seno presentano proprietà dielettriche distinte.
- Le cellule epiteliali mammarie non tumorali fungono da gruppo di controllo.
- Le proprietà dielettriche possono essere utilizzate per la separazione cellulare.
- La dielettroforesi in corrente alternata è una tecnica promettente a tale scopo.
Scopo dello studio
- Modellare un dispositivo microfluidico per la separazione di cellule tumorali e sane del seno.
- Esplorare il potenziale per applicazioni di immunoterapia.
- Dimostrare un approccio basato sulla simulazione per la separazione delle cellule.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di software multifisici per la simulazione.
- Mantenimento di una conducibilità costante variando la frequenza.
- Implementazione della dielettroforesi in corrente alternata per la separazione cellulare.
- Importazione dei parametri nel modello di simulazione.
Risultati principali
- Simulazione riuscita della separazione cellulare basata sulle proprietà dielettriche.
- Dimostrata la fattibilità della separazione in linea di tipi cellulari.
- Fornito un quadro di riferimento per future validazioni sperimentali.
- Evidenziato il potenziale per applicazioni terapeutiche.
Conclusioni
- Lo studio conferma l'ipotesi riguardo alle differenze dielettriche.
- La dielettroforesi in corrente alternata è efficace per separare cellule tumorali e cellule sane.
- Questo metodo potrebbe migliorare le strategie di immunoterapia.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
Le piattaforme microfluidiche dielettroforetiche consentono la separazione senza etichette e ad alto rendimento di cellule tumorali e sane in base alle loro proprietà dielettriche intrinseche, supportando la validazione precoce di bersagli e la riduzione dei rischi meccanicistici. Questo approccio basato sulla simulazione fornisce un'elevata affidabilità predittiva per i flussi di lavoro di separazione cellulare, facilitando lo sviluppo di saggi robusti e la selezione di portafogli nella ricerca oncologica. L'integrazione di tali metodi migliora l'affidabilità dei modelli preclinici e orienta le decisioni di avanzamento corrette in base al rischio.
Applicazioni strategiche nella ricerca e sviluppo biofarmaceutici
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette la discriminazione funzionale tra cellule tumorali non metastatiche e cellule non tumorali utilizzando firme biofisiche.
- Supporta la riduzione del rischio meccanicistico isolando popolazioni cellulari senza l'uso di marcatori o anticorpi.
- Fornisce un framework basato su simulazioni per il test di ipotesi riguardo alle differenze nelle proprietà dielettriche.
- Semplifica decisioni precoci di tipo go/no-go per modelli oncologici basati su cellule.
Sviluppo di screening e saggi
- Prepara popolazioni cellulari validate per saggi fenotipici o meccanicistici successivi.
- Standardizza le condizioni di ordinamento ottimizzando la conducibilità del mezzo e la frequenza della corrente alternata.
- Consente separazioni quantitative e riproducibili, pronte per i saggi.
- Supporta flussi di lavoro scalabili ad alto rendimento per la valutazione di composti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i parametri di sorting cellulare a marcatori biofisici rilevanti per la malattia.
- Mantiene la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica, consentendo l'isolamento coerente di popolazioni cellulari.
- Riduce l'ambiguità biologica nei modelli preclinici assicurando la purezza delle popolazioni ordinate.
- Fornisce una piattaforma per futuri studi traslazionali sui biomarcatori basati sulle proprietà dielettriche.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo microfluidico di dielettroforesi si inserisce nel continuum che va dalla scoperta precoce alla fase preclinica, consentendo un efficiente ordinamento cellulare per la validazione di bersagli, lo sviluppo di saggi e la ricerca traslazionale in oncologia.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi mediante l'isolamento di tipi cellulari in base alla risposta dielettrica.
- Screening: Fornisce output riproducibili e quantitativi per la standardizzazione dei saggi e la preparazione allo screening.
- Analisi: Fornisce dati parametrici sulla conducibilità e sulle soglie di frequenza per una separazione ottimale.
- Ricerca traslazionale: Permette l'allineamento dell'ordinamento cellulare con marcatori biofisici rilevanti per le malattie, garantendo continuità preclinica.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma di simulazione e ordinamento riutilizzabile, adattabile ad altri tipi cellulari con proprietà dielettriche distinte.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nei modelli basati su cellule.
- Valore operativo: Fornisce flussi di lavoro standardizzati, riproducibili e scalabili per il sorting cellulare.
- Valore strategico: Migliora la qualità delle decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza del capitale riducendo i rischi nella biologia delle fasi iniziali.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione e la progressione di programmi in oncologia con adeguamento del rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in microfluidica, dielettroforesi e software di simulazione.
- Necessita di accesso a infrastrutture per la modellizzazione computazionale e a set di parametri validati.
- Richiede standardizzazione congiunta tra gruppi di lavoro per la conducibilità del mezzo e le impostazioni di frequenza.
- L'adattamento ad altri tipi cellulari potrebbe richiedere ulteriore caratterizzazione delle proprietà dielettriche.
- La validazione basata su simulazioni precede l'implementazione sperimentale per nuove applicazioni.
