Microfluïdisch apparaat voor de scheiding van niet-gemetastaseerde (MCF-7) en niet-tumor (MCF-10A) borstkankercellen met behulp van AC-dielectroforese

Dit protocol maakt de scheiding van kanker en gezonde cellen op een gecontroleerde manier mogelijk door de geleidbaarheid constant te houden en de toegepaste frequentie te veranderen. Dit protocol simuleert de gecontroleerde sortering van niet-gemetastaseerde borstkankercellen en niet-tumor borstepitheelcellen met behulp van AC-dielectroforese. Deze techniek is het eerste simulatie-gebaseerde voorbeeld van inline scheiding van niet-gemetastaseerde borstkankercellen en niet-tumor borstepitheelcellen op basis van hun diëlektrische eigenschappen.

Om te beginnen opent u de Multiphysics-software, selecteert u het lege model en klikt u met de rechtermuisknop op de globale definities. Selecteer parameters en importeer de parameters in tabel één in globale definities als een tekstbestand of voer de waarden afzonderlijk in. Selecteer component toevoegen op het tabblad Start en voeg een 2D-component toe.

Klik met de rechtermuisknop op geometrie en importeer het modelbestand door op het bestand te dubbelklikken. Kies een leeg materiaal en gebruik de materiaaleigenschappen uit tabel één. Ga naar het tabblad Start, selecteer Natuurkunde toevoegen en typ AC/DC.

Ga dan naar de AC/DC node onder de subnode van elektrische velden en stromen en kies elektrische stromen als natuurkunde. Isoleer de kanaalwanden om potentiaal aan de elektroden toe te wijzen door met de rechtermuisknop op de elektrische stroom te klikken en de subnodes voor stroombehoud, isolatie en elektrische potentiaal te kiezen. Selecteer vervolgens Fysica toevoegen op het tabblad Start en ga onder het vloeistofstroomknooppunt naar de subnode eenfasige stroom en kies kruipende stroomfysica.

Klik met de rechtermuisknop op de eenfasige stroom en render de chipgrenzen als muren met behulp van de wandsubnode. Klik met de rechtermuisknop op de eenfasige stroom en voeg twee inlaatsubnodes en één uitlaatsubnode toe. Wijs de inlaten toe met behulp van de inlaatsubnode en gebruik normale en stroomsnelheid als grensvoorwaarde.

Wijs het stopcontact toe met behulp van de uitlaatsubnode. Selecteer vervolgens Fysica toevoegen op het tabblad Start en ga onder het vloeistofstroomknooppunt naar de subnode van deeltjestracering en kies deeltjestraceringsstroomfysica. Klik met de rechtermuisknop op het knooppunt voor het traceren van deeltjes en controleer de instellingen.

Stel de deeltjeseigenschappen in voor zowel MCF-10A- als MCF-7-cellen met behulp van de subnode deeltjeseigenschappen. Kies de deeltjeseigenschappen uit de parameters onder de sectie globale definitie. Voeg de sleepkrachtsubnode toe om de dielectroforetische kracht aan beide typen cellen toe te wijzen.

Voeg in dit geval de deeltjeseigenschappen uit de parametersectie toe. Kies nu Mesh toevoegen en selecteer Fijnmazig op het tabblad Start. Voor het bouwen van een mesh selecteert u Mesh bouwen en klikt u op Study toevoegen om drie studiestappen toe te voegen.

Studiestap één is voor het simuleren van een frequentierespons en het gebruik van een frequentiedomeinsubnode. Als u kruipende stroming wilt simuleren, kiest u een stationair studieknooppunt. Voeg twee tijdsafhankelijke stappen toe om omstandigheden te simuleren met dielectroforetische kracht en zonder dielectroforetische kracht.

Kies voor de knooppuntdielectroforetische toestand de fysica- en variabeleselectie, vink het selectievakje Modelconfiguratie wijzigen voor de studie-instelling aan en schakel de dielectroforetische stap uit. Voor dielectroforetische aandoeningen, niet uitschakelen. Voer de simulatie uit nadat u het bestand hebt opgeslagen.

Na het uitvoeren van de CFD-simulaties door niet-gemetastaseerde borstkanker en niet-tumor borstepitheelcellijnen te introduceren, lost u twee sets CFD-onderzoeken op. Klik voor de eerste set met de rechtermuisknop op studie één en voeg de parametrische sweep-subnode toe. Druk op het plusteken om de vloeistofmediumgeleiding toe te voegen sigma_m als de veegvariabele.

Voer een parametrische veegstudie uit voor de vloeistofmediumgeleidingsgeleiding sigma_m variërend van 0,01 tot 2,5 Siemens per meter, waarbij de toegepaste frequentie constant blijft op 800 kilohertz. Voer voor de tweede set een parametrische sweep-studie uit door de toegepaste AC-frequentie te variëren van 100 kilohertz tot 100 megahertz, waarbij de geleidbaarheid van het vloeibare medium sigma_m vastgesteld op 0,4 Siemens per meter. Bereken de sterkte van de dielectroforesekracht uitgeoefend op een diëlektrisch bolvormig deeltje in een geleidend medium met behulp van deze vergelijking onder de dielectroforetische krachtsubnode.

Gebruik deze vergelijking voor een bolvormig deeltje onder de dielectroforetische krachtsubnode. Gebruik deze vergelijking voor een bolvormig deeltje onder de subnode van de dielectroforetische kracht. Gebruik een aangepaste vorm van de vorige vergelijking om biologische cellen te modelleren, zoals zoogdiercellen die complexer zijn en een meerlagige structuur hebben.

Los vervolgens complexe permeabiliteit op met behulp van deze vergelijking. Plot vervolgens REK als een functie van het toegepaste elektrische veld voor kanker en gezonde cellen. Klik met de rechtermuisknop op het resultatenknooppunt.

Voeg de deeltjesevaluatiesubnode toe. En typ fpt.deff1 in de expressiesectie. K om de CM-factor voor deeltje één en fpt.deff2 uit te zetten.

K voor deeltje twee. Onder de vloeibare mediumgeleiding van 0,01 Siemens per meter en AC-frequentie van 100 kilohertz ervaren de MCF-10A- en MCF-7-cellen een positieve dielectroforese met een REK-waarde van 0,82 en 0,76. Bij de geleidbaarheid van 0,4 Siemens per meter vertoonden MCF-10A en MCF-7 negatief dielectroforetisch gedrag met REK-waarden van respectievelijk min 0,46 en min 0,31.

Wanneer de geleidbaarheid werd verhoogd tot 1,2 Siemens per meter, ervoeren de cellijnen negatieve dielectroforese bij 100 kilohertz met REK-waarden min 0,49 en min 0,43. Onder de geleidbaarheid van 0,01 Siemens per meter ervoeren beide celtypen positieve dielectroforese, bewogen zich naar het gebied van hoge elektrische veldsterkte en verplaatsten zich van de bovenste uitlaat. MCF-10A-cellen verplaatsten zich naar de bovenste uitlaat, terwijl MCF-7-cellen naar de onderste uitlaat verhuisden toen de geleidbaarheid werd verhoogd tot 0,4 Siemens per meter met de toegepaste frequentie vastgesteld op 0,8 megahertz.

Naarmate de gemiddelde geleidbaarheid werd verhoogd tot 1,2 Siemens per meter, verplaatsten de cellijnen zich weg van de regio's met een hoog elektrisch veld. Bij een frequentie van 100 kilohertz ervoeren beide cellijnen negatieve dielectroforese en bewogen ze zich naar de onderste uitlaat. Het gedrag van beide cellijnen bleef onveranderd tot 0,8 megahertz.

Daarnaast veranderde MCF-10A hun dielectroforetische gedrag en stak over naar het positieve dielectroforetische gebied. Bij 100 megahertz ervoeren beide cellijnen een positieve dielectroforetische en bewogen ze naar de bovenste uitlaat. Deze technieken zullen nieuwe locaties openen voor onderzoekers die levensvatbare en niet-levensvatbare cellen willen scheiden en verschillende soorten kankercellen willen sorteren als de diëlektrische eigenschappen niet hetzelfde zijn.

Ook kan sorteren op basis van verschillende maten worden bereikt met dezelfde methode.