Urządzenie mikroprzepływowe do separacji komórek raka piersi bez przerzutów (MCF-7) i nienowotworowych (MCF-10A) za pomocą dielektroforezy prądu przemiennego
11 sierpnia 2022
Komórki raka piersi wykazują inne właściwości dielektryczne w porównaniu do komórek nabłonka piersi niebędących nowotworami. Postawiono hipotezę, że w oparciu o tę różnicę we właściwościach dielektrycznych, obie populacje można rozdzielić do celów immunoterapii. Aby to wesprzeć, modelujemy urządzenie mikroprzepływowe do sortowania komórek MCF-7 i MCF-10A.
Protokół ten pozwala na oddzielenie komórek nowotworowych od zdrowych w kontrolowany sposób poprzez utrzymanie stałej przewodności i zmianę zastosowanej częstotliwości. Protokół ten symuluje kontrolowane sortowanie komórek raka piersi bez przerzutów i komórek nabłonka piersi nienowotworowych przy użyciu dielektroforezy prądu przemiennego. Technika ta jest pierwszym opartym na symulacji przykładem inline separacji komórek nabłonka piersi bez przerzutów i komórek nabłonka piersi nienowotworowych na podstawie ich właściwości dielektrycznych.
Aby rozpocząć, otwórz oprogramowanie Multiphysics, wybierz pusty model i kliknij prawym przyciskiem myszy definicje globalne. Wybierz parametry i zaimportuj parametry podane w tabeli pierwszej do definicji globalnych jako plik tekstowy lub wprowadź wartości pojedynczo. Wybierz opcję Dodaj komponent na karcie narzędzia głównego i dodaj komponent 2D.
Kliknij geometrię prawym przyciskiem myszy i zaimportuj plik modelu, klikając go dwukrotnie. Wybierz materiał zerowy i użyj właściwości materiału z tabeli pierwszej. Przejdź do zakładki Strona główna, wybierz Dodaj fizykę i wpisz AC/DC.
Następnie przejdź do węzła AC/DC pod podwęzłem pól i prądów elektrycznych i wybierz prądy elektryczne jako fizykę. Zaizoluj ścianki kanału, aby przypisać potencjał elektrodom, klikając prawym przyciskiem myszy prąd elektryczny i wybierając podwęzły zachowania prądu, izolacji i potencjału elektrycznego. Następnie wybierz Dodaj fizykę z karty głównej i pod węzłem przepływu płynu przejdź do podwęzła przepływu jednofazowego i wybierz fizykę przepływu pełzającego.
Kliknij prawym przyciskiem myszy przepływ jednofazowy i wyrenderuj granice wiórów jako ściany za pomocą węzła podrzędnego ściany. Kliknij prawym przyciskiem myszy przepływ jednofazowy i dodaj dwa podwęzły wlotowe i jeden podwęzeł wylotowy. Przypisz wloty za pomocą podwęzła wlotu i użyj normalnej i prędkości przepływu jako warunku brzegowego.
Przypisz wyjście za pomocą węzła podrzędnego wyjścia. Następnie wybierz Dodaj fizykę na karcie Strona główna i w węźle przepływu płynów przejdź do podwęzła śledzenia cząstek i wybierz fizykę przepływu śledzenia cząstek. Kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł śledzenia cząstek i sprawdź ustawienia.
Ustaw właściwości cząstek zarówno dla komórek MCF-10A, jak i MCF-7, korzystając z podwęzła właściwości cząstek. Wybierz właściwości cząstek z parametrów w sekcji definicji globalnej. Dodaj podwęzeł siły oporu, aby przypisać siłę dielektroforetyczną do obu typów komórek.
W takim przypadku dodaj właściwości cząstek z sekcji parametrów. Teraz wybierz Dodaj siatkę i wybierz Drobna siatka z karty Strona główna. Aby zbudować siatkę, wybierz opcję Zbuduj siatkę i kliknij Dodaj badanie, aby dodać trzy kroki badania.
Pierwszy krok badania służy do symulacji odpowiedzi częstotliwościowej i użycia podwęzła w dziedzinie częstotliwości. Aby zasymulować pełzający przepływ, należy wybrać stacjonarny węzeł badania. Dodaj dwa kroki zależne od czasu, aby zasymulować warunki z siłą dielektroforetyczną i bez siły dielektroforetycznej.
Dla warunku dielektroforetycznego węzła wybierz fizykę i wybór zmiennych, zaznacz pole modyfikacji konfiguracji modelu dla ustawień badania i wyłącz krok dielektroforetyczny. W przypadku stanów dielektroforetycznych nie wyłączaj. Uruchom symulację po zapisaniu pliku.
Po wykonaniu symulacji CFD poprzez wprowadzenie nieprzerzutowego raka piersi i nienowotworowych linii komórkowych nabłonka piersi, rozwiąż dwa zestawy badań CFD. W przypadku pierwszego zestawu kliknij prawym przyciskiem myszy badanie pierwsze i dodaj podwęzeł parametrycznego przemiatania. Naciśnij znak plus, aby dodać przewodność medium płynnego sigma_m jako zmienną przemiatania.
Wykonaj parametryczne badanie przemiatania dla sigma_m przewodności medium płynnego w zakresie od 0,01 do 2,5 Siemensa na metr, utrzymując przyłożoną częstotliwość na stałym poziomie 800 kiloherców. W przypadku drugiego zestawu należy przeprowadzić parametryczne badanie przemiatania, zmieniając zastosowaną częstotliwość prądu przemiennego ze 100 kiloherców do 100 megaherców, utrzymując przewodność medium płynnego sigma_m stałą na poziomie 0,4 Siemensa na metr. Obliczyć siłę siły dielektroforezy wywieranej na sferyczną cząstkę dielektryczną w ośrodku przewodzącym, korzystając z tego równania pod podwęzłem siły dielektroforetycznej.
Użyj tego równania dla cząstki sferycznej pod podwęzłem siły dielektroforetycznej. Dla cząstki sferycznej pod podwęzłem siły dielektroforetycznej należy użyć tego równania. Użyj zmodyfikowanej formy poprzedniego równania do modelowania komórek biologicznych, takich jak komórki ssaków, które są bardziej złożone i mają wielowarstwową strukturę.
Następnie rozwiąż zespoloną przepuszczalność za pomocą tego równania. Następnie wykreśl REK jako funkcję przyłożonego pola elektrycznego dla raka i zdrowych komórek. Kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł wyników.
Dodaj podwęzeł oceny cząstek. W sekcji wyrażenia wpisz fpt.deff1. K, aby wykreślić współczynnik CM dla cząstki pierwszej i fpt.deff2.
K dla cząstki drugiej. Przy przewodności medium płynnego wynoszącej 0,01 Siemensa na metr i częstotliwości prądu przemiennego wynoszącej 100 kiloherców, ogniwa MCF-10A i MCF-7 doświadczają dodatniej dielektroforezy o wartości REK 0,82 i 0,76. Przy przewodności 0,4 Siemensa na metr, MCF-10A i MCF-7 wykazywały ujemne zachowanie dielektroforetyczne z wartościami REK wynoszącymi odpowiednio minus 0,46 i minus 0,31.
Gdy przewodność wzrosła do 1,2 Siemensa na metr, linie komórkowe doświadczyły ujemnej dielektroforezy przy 100 kilohercach z wartościami REK minus 0,49 i minus 0,43. Przy przewodności 0,01 Siemensa na metr oba typy ogniw doświadczyły dodatniej dielektroforezy, przesunęły się w kierunku obszaru o wysokim natężeniu pola elektrycznego i wysunęły się z górnego wylotu. Ogniwa MCF-10A przesunęły się do górnego wylotu, podczas gdy ogniwa MCF-7 przesunęły się do dolnego wylotu, gdy przewodność została zwiększona do 0,4 Siemensa na metr przy zastosowanej częstotliwości ustalonej na 0,8 megaherca.
Wraz ze wzrostem przewodności ośrodka do 1,2 Siemensa na metr, linie komórkowe odsunęły się od obszarów o silnym polu elektrycznym. Przy częstotliwości 100 kiloherców obie linie komórkowe doświadczyły ujemnej dielektroforezy i przesunęły się w kierunku dolnego wylotu. Zachowanie obu linii komórkowych pozostało niezmienione do 0,8 megaherca.
Poza tym MCF-10A zmienił swoje zachowanie dielektroforetyczne i przeszedł do dodatniego regionu dielektroforetycznego. Przy 100 megahercach obie linie komórkowe doświadczyły dodatniego dielektroforetycznego i przesunęły się w kierunku górnego wylotu. Techniki te otworzą nowe możliwości dla badaczy, którzy chcą oddzielić żywe i nieżywotne komórki oraz sortować różne typy komórek nowotworowych, jeśli właściwości dielektryczne nie są takie same.
Tą samą metodą można również przeprowadzić sortowanie na podstawie różnych rozmiarów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje właściwości dielektryczne komórek raka piersi w porównaniu z nietumorowymi komórkami nabłonka piersi, proponując metodę ich separacji z wykorzystaniem urządzenia mikroprzepływowego. Technika ta wykorzystuje dielektroforezę prądu przemiennego (AC) do kontrolowanego sortowania w oparciu o te różnice dielektryczne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biologia komórki
- Inżynieria biomedyczna
- Onkologia
Wprowadzenie
- Komórki raka piersi wykazują odrębne właściwości dielektryczne.
- Nieguzawe komórki nabłonka piersi służą jako grupa kontrolna.
- Właściwości dielektryczne mogą być wykorzystywane do separacji komórek.
- Dielektroforeza prądem AC jest obiecującą techniką do tego celu.
Cel badania
- Opracowanie modelu urządzenia mikrofluidycznego do sortowania komórek raka piersi oraz komórek zdrowych.
- Zbadanie potencjału zastosowań w immunoterapii.
- Zaprezentowanie podejścia opartego na symulacji w celu separacji komórek.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania Multiphysics do symulacji.
- Utrzymanie stałej przewodności podczas zmiany częstotliwości.
- Implementacja dielektroforezy AC do sortowania komórek.
- Import parametrów do modelu symulacyjnego.
Główne wyniki
- Pomyślna symulacja separacji komórek w oparciu o właściwości dielektryczne.
- Wykazanie wykonalności separacji typów komórek w układzie przepływowym (inline).
- Opracowanie ram dla przyszłej walidacji eksperymentalnej.
- Wskazanie potencjału w zastosowaniach terapeutycznych.
Wnioski
- Badanie potwierdza hipotezę dotyczącą różnic dielektrycznych.
- Dielektroforeza prądu przemiennego (AC) jest skuteczna w sortowaniu komórek nowotworowych i zdrowych.
- Metoda ta mogłaby usprawnić strategie immunoterapii.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Mikrofluidyczne platformy dielektroforetyczne umożliwiają bezznacznikową, wysokoprzepustową separację komórek nowotworowych i zdrowych na podstawie ich wewnętrznych właściwości dielektrycznych, co wspiera walidację celów na wczesnym etapie oraz redukcję ryzyka mechanistycznego. To podejście oparte na symulacjach zapewnia pewność predykcyjną dla procesów sortowania komórek, ułatwiając opracowanie niezawodnych testów oraz selekcję portfolio w badaniach onkologicznych. Integracja takich metod zwiększa wiarygodność modeli przedklinicznych i dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o rozwoju projektów w oparciu o analizę ryzyka.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia funkcjonalne rozróżnienie między nienastatycznym nowotworem a komórkami nietumorowymi przy użyciu sygnatur biofizycznych.
- Wspiera redukcję ryzyka mechanistycznego poprzez izolowanie populacji komórek bez użycia znaczników lub przeciwciał.
- Zapewnia ramowy model oparty na symulacjach do weryfikacji hipotez dotyczących różnic w właściwościach dielektrycznych.
- Ułatwia podejmowanie wczesnych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) w przypadku onkologicznych modeli komórkowych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane populacje komórek do dalszych analiz fenotypowych lub mechanistycznych.
- Standaryzuje warunki sortowania poprzez optymalizację przewodności medium oraz częstotliwości prądu przemiennego (AC).
- Umożliwia uzyskanie powtarzalnych, ilościowych wyników separacji w celu przygotowania do analiz.
- Wspiera skalowalne, wysokoprzepustowe procesy robocze do oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dopasowuje parametry sortowania komórek do biofizycznych markerów istotnych dla danej choroby.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu odkrycia do walidacji przedklinicznej poprzez umożliwienie spójnej izolacji populacji komórek.
- Zmniejsza niejednoznaczność biologiczną w modelach przedklinicznych dzięki zapewnieniu czystości sortowanych populacji.
- Stanowi platformę dla przyszłych translacyjnych badań nad biomarkerami w oparciu o właściwości dielektryczne.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Ta mikrofluidyczna metoda dielektroforezy wpisuje się w proces od wczesnych etapów odkrywania leków po badania przedkliniczne, umożliwiając niezawodne sortowanie komórek w celu walidacji celu, opracowania testów oraz prowadzenia badań translacyjnych w onkologii.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez izolowanie typów komórek na podstawie odpowiedzi dielektrycznej.
- Przesiewy: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki w celu standaryzacji testów i przygotowania do analizy przesiewowej.
- Analityka: Dostarcza danych parametrycznych dotyczących przewodności i progów częstotliwości dla optymalnej separacji.
- Badania translacyjne: Umożliwia dopasowanie sortowania komórek do bifizycznych markerów istotnych dla danej choroby w celu zapewnienia ciągłości badań przedklinicznych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnego użytku platformę do symulacji i sortowania, którą można dostosować do innych typów komórek o odmiennych właściwościach dielektrycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w modelach komórkowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne i skalowalne przepływy pracy w sortowaniu komórek.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową poprzez ograniczanie ryzyka w biologii na wczesnym etapie.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój programów onkologicznych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu mikroprzepływów, dielektroforezy oraz oprogramowania do symulacji.
- Niezbędny jest dostęp do infrastruktury modelowania komputerowego oraz zwalidowanych zestawów parametrów.
- Wymagana jest standaryzacja przewodności medium i ustawień częstotliwości pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do innych typów komórek może wymagać dodatkowej charakterystyki właściwości dielektrycznych.
- Przed wdrożeniem eksperymentalnym w nowych zastosowaniach konieczna jest walidacja w oparciu o symulacje.
