AC誘電泳動を用いた非転移性(MCF-7)および非腫瘍(MCF-10A)乳癌細胞の分離のためのマイクロ流体デバイス
2022年8月11日
乳がん細胞は、非腫瘍乳房上皮細胞とは異なる誘電特性を示します。この誘電特性の違いに基づいて、免疫療法の目的で2つの集団を分離できるという仮説が立てられています。これをサポートするために、MCF-7およびMCF-10A細胞を分類するマイクロ流体デバイスをモデル化します。
このプロトコルは、導電率を一定に保ち、適用される周波数を変えることによって、制御された方法で癌と健康な細胞を分離することを可能にする。このプロトコルは、AC誘電泳動を使用して、非転移性乳がん細胞および非腫瘍乳腺上皮細胞の制御された選別をシミュレートします。この技術は、非転移性乳癌細胞と非腫瘍乳腺上皮細胞を誘電特性に基づいてインライン分離する最初のシミュレーションベースの例です。
開始するには、マルチフィジックスソフトウェアを開き、空白のモデルを選択して、グローバル定義を右クリックします。パラメーターを選択し、表 1 に示されているパラメーターをテキスト ファイルとしてグローバル定義にインポートするか、値を個別に入力します。ホームタブから[コンポーネントの追加]を選択し、2Dコンポーネントを追加します。
ジオメトリを右クリックし、ファイルをダブルクリックしてモデルファイルをインポートします。空白の材料を選択し、表 1 の材料特性を使用します。[ホーム]タブに移動し、[物理の追加]を選択して、AC / DCと入力します。
次に、電界と電流のサブノードの下にあるAC/DCノードに移動し、物理として電流を選択します。電流を右クリックし、電流保存、絶縁、および電位サブノードを選択して、チャネル壁を絶縁して電極に電位を割り当てます。次に、ホームタブから[物理を追加]を選択し、流体フローノードの下でサブノードの単相流れに移動し、クリーピングフロー物理を選択します。
単相流れを右クリックし、壁サブノードを使用してチップ境界を壁としてレンダリングします。単相流を右クリックし、2 つの入口サブノードと 1 つの出口サブノードを追加します。流入口サブ節点を使用して流入口を割り当て、境界条件として法線速度と流速を使用します。
アウトレットサブノードを使用してアウトレットを割り当てます。次に、ホームタブから[物理を追加]を選択し、流体フローノードの下でパーティクルトレースのサブノードに移動し、パーティクルトレースフロー物理を選択します。パーティクル トレース ノードを右クリックし、設定を確認します。
粒子特性サブノードを使用して、MCF-10AセルとMCF-7細胞の両方の粒子特性を設定します。グローバル定義セクションのパラメータからパーティクルのプロパティを選択します。ドラッグ力サブノードを追加して、両方のタイプのセルに誘電泳動力を割り当てます。
この場合、パラメータセクションからパーティクルプロパティを追加します。次に、[メッシュの追加]を選択し、[ホーム]タブから[ファインメッシュ]を選択します。メッシュを構築するには、[メッシュを作成]を選択し、[スタディを追加]をクリックして 3 つのスタディ ステップを追加します。
スタディステップ1は、周波数応答をシミュレートし、周波数領域サブノードを使用するためのものです。クリーピング流れをシミュレートするには、固定スタディ ノードを選択します。誘電泳動力のある条件と泳電力のない条件をシミュレートするために、2つの時間依存ステップを追加します。
節点誘電泳動条件については、物理と変数の選択を選択し、スタディ設定のモデル構成を修正チェックボックスをオンにして、誘電泳動ステップを無効にします。誘電泳動条件の場合は、無効にしないでください。ファイルを保存した後、シミュレーションを実行します。
非転移性乳がんと非腫瘍乳腺上皮細胞株を導入してCFDシミュレーションを実行した後、2セットのCFD研究を解きます。最初のセットでは、スタディ1を右クリックし、パラメトリックスイープサブノードを追加します。プラス記号を押して、流体媒体導電率sigma_mをスイープ変数として追加します。
0.01〜2.5シーメンス/メートルの範囲の流体媒体導電率sigma_mに対してパラメトリックスイープスタディを実行し、適用周波数を800キロヘルツに一定に保ちます。2番目のセットでは、適用されるAC周波数を100キロヘルツから100メガヘルツまで変化させ、流体媒体sigma_mの導電率を0.4シーメンス/メートルに固定して、パラメトリックスイープスタディを実施します。誘電泳動力サブノードの下でこの式を使用して、導電性媒体中の誘電球状粒子に加えられる誘電泳動力の強さを計算します。
この式は、誘電泳動力サブノードの下の球状粒子に使用します。誘電泳動力サブノードの下の球状粒子の場合は、次の式を使用します。前の式の修正形式を使用して、より複雑で多層構造を持つ哺乳類細胞などの生物学的細胞をモデル化します。
次に、この式を使用して複素透磁率を解きます。次に、癌および健康な細胞に適用された電場の関数としてREKをプロットします。結果ノードを右クリックします。
粒子評価サブノードを追加します。そして、式セクションで、fpt.deff1と入力します。K を使用して、粒子 1 と fpt.deff2 の CM 係数をプロットします。
粒子2の場合はK。0.01シーメンス/メートルの流体媒体伝導率と100キロヘルツのAC周波数の下で、MCF-10AおよびMCF-7セルは、0.82および0.76のREK値で正の誘電泳動を経験します。MCF-10AおよびMCF-7は、0.4シーメンス/メートルの導電率において、それぞれマイナス0.46およびマイナス0.31のREK値を有する負の誘電泳動挙動を示した。
導電率を1.2シーメンス/メートルに増加させると、細胞株は100キロヘルツで負の誘電泳動を経験し、REK値はマイナス0.49およびマイナス0.43でした。0.01シーメンス/メートルの導電率の下で、両方の細胞タイプは正の誘電泳動を経験し、高電界強度の領域に向かって移動し、上部の出口から移動しました。MCF-10Aセルは上部出口に移動し、MCF-7セルは、印加周波数を0.8メガヘルツに固定して導電率を0.4シーメンス/メートルに増加させると、下部出口に移動しました。
培地の導電率が1メートルあたり1.2シーメンスに増加すると、細胞株は高電界の領域から遠ざかりました。100キロヘルツの周波数では、両方の細胞株が負の誘電泳動を経験し、下部の出口に向かって移動しました。両方の細胞株の挙動は0.8メガヘルツまで変化しなかった。
それを超えて、MCF-10Aは誘電泳動挙動を変化させ、正の誘電泳動領域にクロスオーバーしました。100メガヘルツでは、両方の細胞株が陽性の誘電泳動を経験し、上部の出口に向かって移動しました。これらの技術は、生存細胞と非生存細胞を分離し、誘電特性が同じでない場合は異なる種類の癌細胞を分類したい研究者に新しい場を開きます。
また、同じ方法を使用して、異なるサイズに基づく並べ替えを実現できます。
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概要
本研究では、乳がん細胞と非腫瘍性乳腺上皮細胞の誘電特性を比較し、マイクロ流体デバイスを用いたこれらの細胞の分離方法を提案します。この手法では、ACダイエレクトロフォレシス（交流誘電泳動）を利用して、これらの誘電的な差異に基づいた制御可能なソーティングを実現します。
研究の主要構成要素
科学分野
- 細胞生物学
- 生物医学工学
- 腫瘍学
背景
- 乳がん細胞は、特有の誘電特性を示します。
- 非腫瘍性乳腺上皮細胞をコントロール群として使用します。
- 誘電特性は、細胞分離に利用可能です。
- ACダイエレクトロフォレシス（交流誘電泳動）は、この目的において有望な技術です。
研究目的
- 乳がん細胞と正常細胞を分級するためのマイクロ流体デバイスをモデル化すること。
- 免疫療法の応用の可能性を検討すること。
- 細胞分離のためのシミュレーションベースのアプローチを実証すること。
使用した手法
- シミュレーションへのMultiphysicsソフトウェアの活用。
- 周波数を変化させながら導電率を一定に維持すること。
- 細胞分級のためのAC誘電泳動の実装。
- シミュレーションモデルへのパラメータのインポート。
主な結果
- 誘電的特性に基づいた細胞分離のシミュレーションに成功した。
- 細胞種のインライン分離の実現可能性を実証した。
- 今後の実験的検証に向けたフレームワークを提示した。
- 治療への応用の可能性を強調した。
結論
- 本研究により、誘電率の差に関する仮説が裏付けられました。
- AC誘電泳動は、がん細胞と正常細胞の分別に有効です。
- この手法は、免疫療法の戦略を強化できる可能性があります。
よくある質問
産業界における重要性
誘電泳動マイクロ流体プラットフォームは、固有の誘電特性に基づいたがん細胞と正常細胞のラベルフリーかつハイスループットな分離を可能にし、早期段階のターゲット検証およびメカニズム的なリスク低減を支援します。このシミュレーション駆動型アプローチは、細胞分取ワークフローに予測的な信頼性を提供し、腫瘍学研究における堅牢なアッセイ開発とポートフォリオの優先順位付けを促進します。このような手法の統合は、前臨床モデルの信頼性を向上させ、リスク調整後の進展決定に寄与します。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 生物物理学的シグネチャーを用いて、非転移性癌細胞と非腫瘍細胞を機能的に識別することを可能にします。
- ラベルや抗体を使用せずに細胞集団を分離することで、メカニズム的なリスク低減（de-risking）をサポートします。
- 誘電特性の差に関する仮説検証のための、シミュレーションベースのフレームワークを提供します。
- 細胞ベースの腫瘍学モデルにおける、初期段階のゴー/ノーゴー（継続か中止か）の意思決定を促進します。
スクリーニングおよびアッセイの開発
- 後続の表現型解析やメカニズム解析に用いる、バリデート済みの細胞集団を調製します。
- 培地の導電率とAC周波数を最適化することで、ソーティング条件を標準化します。
- アッセイ準備に向けた、再現性のある定量的な分離出力を可能にします。
- 化合物評価のための、スケーラブルでハイスループットなワークフローをサポートします。
翻訳・前臨床研究
- 細胞分取パラメータを、疾患に関連する生物物理学的マーカーに適合させます。
- 一貫した細胞集団の単離を可能にすることで、探索段階から前臨床検証までの連続性を維持します。
- 分取した集団の純度を確保することで、前臨床モデルにおける生物学的な曖昧さを低減します。
- 誘電特性に基づいた、将来のトランスレーショナルなバイオマーカー研究のためのプラットフォームを提供します。
パイプラインおよびワークフローの統合
このマイクロ流体誘電泳動法は、初期探索から前臨床までの連続的なプロセスに適合し、ターゲット検証、アッセイ開発、および腫瘍学におけるトランスレーショナルリサーチのための堅牢な細胞分取を可能にします。
- 探索生物学： 誘電応答に基づいた細胞種の単離により、仮説検証およびパスウェイの解明を支援します。
- スクリーニング： アッセイの標準化およびスクリーニングへの適用に向けた、再現性の高い定量的なアウトプットを提供します。
- 分析： 最適な分離のための導電率および周波数しきい値に関するパラメトリックデータを提供します。
- トランスレーショナルリサーチ： 前臨床段階での連続性を確保するため、細胞ソーティングを疾患に関連する生物物理学的マーカーと整合させることが可能です。
- エンタープライズでの再利用： 異なる誘電特性を持つ他の細胞種にも適応可能な、再利用可能なシミュレーションおよびソーティングプラットフォームを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：細胞ベースモデルにおける予測の信頼性を高め、メカニズム的な曖昧さを低減します。
- 運用的価値：標準化され、再現性があり、拡張可能な細胞ソートワークフローを提供します。
- 戦略的価値：初期段階のバイオロジーにおけるリスクを軽減することで、Go/No-go判断の質と資本効率を向上させます。
- ポートフォリオへの影響：リスク調整に基づいた腫瘍学プログラムの優先順位付けと推進を可能にします。
実施上の考慮事項
- マイクロフルイディクス、誘電泳動、およびシミュレーションソフトの専門知識が必要です。
- 計算モデリングのインフラストラクチャおよび検証済みのパラメータセットへのアクセスが必要です。
- 培地の導電率および周波数設定について、チーム間での標準化が求められます。
- 他の細胞型に適用する場合、さらなる誘電特性の評価が必要になる場合があります。
- 新しいアプリケーションへの適用に際しては、実験的実装の前にシミュレーションに基づく検証が行われます。
