Микрофлюидное устройство для разделения неметастатических (MCF-7) и неопухолевых (MCF-10A) клеток рака молочной железы с использованием диэлектрофореза AC
11 августа 2022 г.
Клетки рака молочной железы проявляют различные диэлектрические свойства по сравнению с неопухолевыми эпителиальными клетками молочной железы. Было выдвинуто предположение, что, основываясь на этой разнице в диэлектрических свойствах, две популяции могут быть разделены для целей иммунотерапии. Чтобы поддержать это, мы моделируем микрофлюидное устройство для сортировки клеток MCF-7 и MCF-10A.
Этот протокол позволяет контролировать разделение раковых и здоровых клеток, сохраняя постоянную проводимость и изменяя применяемую частоту. Этот протокол имитирует контролируемую сортировку неметастатических клеток рака молочной железы и неопухолевых эпителиальных клеток молочной железы с использованием диэлектрофореза AC. Этот метод является первым основанным на моделировании примером встроенного разделения неметастатических клеток рака молочной железы и неопухолевых эпителиальных клеток молочной железы на основе их диэлектрических свойств.
Для начала откройте программное обеспечение Multiphysics, выберите пустую модель и щелкните правой кнопкой мыши на глобальных определениях. Выберите параметры и импортируйте параметры, приведенные в первой таблице, в глобальные определения в виде текстового файла или введите значения по отдельности. Выберите Добавить компонент на вкладке главная и добавьте 2D-компонент.
Щелкните правой кнопкой мыши по геометрии и импортируйте файл модели, дважды щелкнув файл. Выберите пустой материал и используйте свойства материала из первой таблицы. Перейдите на главную вкладку, выберите Добавить физику и введите AC/DC.
Затем перейдите к узлу AC/DC под подузлом электрических полей и токов и выберите электрические токи в качестве физики. Изолируйте стенки канала, чтобы присвоить электродам потенциал, щелкнув правой кнопкой мыши по электрическому току и выбрав подузлы сохранения тока, изоляции и электрического потенциала. Затем выберите Добавить физику на главной вкладке и под узлом потока жидкости перейдите к подузлу однофазного потока и выберите физику ползучего потока.
Щелкните правой кнопкой мыши на однофазном потоке и отобразите границы чипа в виде стен с помощью подузеля стенки. Щелкните правой кнопкой мыши однофазный поток и добавьте два входных подузла и один выходной подузел. Назначьте входные отверстия с помощью входного подузела и используйте нормальную скорость и скорость потока в качестве граничного условия.
Назначьте розетку с помощью подузела розетки. Затем выберите Добавить физику на главной вкладке и под узлом потока жидкости перейдите к подузлу трассировки частиц и выберите физику потока трассировки частиц. Щелкните правой кнопкой мыши узел трассировки частиц и проверьте настройки.
Задайте свойства частиц для ячеек MCF-10A и MCF-7, используя подузел свойств частиц. Выберите свойства частиц из параметров в разделе глобального определения. Добавьте подузел силы перетаскивания, чтобы назначить диэлектрофоретическую силу обоим типам клеток.
В этом случае добавьте свойства частиц из раздела параметров. Теперь выберите «Добавить сетку» и выберите «Тонкая сетка» на вкладке «Главная». Для создания сетки выберите «Построить сетку» и нажмите «Добавить исследование», чтобы добавить три шага исследования.
Первый этап исследования предназначен для моделирования частотной характеристики и использования подузла частотной области. Чтобы смоделировать ползучий поток, выберите стационарный исследовательский узел. Добавьте два зависящих от времени шага для моделирования условий с диэлектрофоретической силой и без диэлектрофоретической силы.
Для диэлектрофоретического состояния узла выберите физику и выбор переменных, установите флажок изменить конфигурацию модели для настройки исследования и отключите диэлектрофоретический шаг. Для диэлектрофоретических состояний не отключайте. Запустите симуляцию после сохранения файла.
После выполнения моделирования CFD путем введения неметастатического рака молочной железы и неопухолевых эпителиальных клеточных линий молочной железы, решите два набора исследований CFD. Для первого набора щелкните правой кнопкой мыши на исследуемом и добавьте параметрический подузел развертки. Нажмите знак плюс, чтобы добавить sigma_m проводимости жидкой среды в качестве переменной развертки.
Выполните параметрическое исследование стреловидности для sigma_m проводимости жидкой среды в диапазоне от 0,01 до 2,5 Сименса на метр, сохраняя постоянную приложенную частоту на уровне 800 килогерц. Для второго набора провести параметрическое исследование развертки, изменяя применяемую частоту переменного тока от 100 килогерц до 100 мегагерц, сохраняя проводимость жидкой среды sigma_m фиксированной на уровне 0,4 Сименса на метр. Рассчитайте силу силы диэлектрофореза, оказываемой на диэлектрическую сферическую частицу в проводящей среде, используя это уравнение под подузлом диэлектрофоретической силы.
Используйте это уравнение для сферической частицы под подузелем диэлектрофоретической силы. Для сферической частицы под подузелем диэлектрофоретической силы используйте это уравнение. Используйте модифицированную форму предыдущего уравнения для моделирования биологических клеток, таких как клетки млекопитающих, которые являются более сложными и имеют многослойную структуру.
Затем решают сложную проницаемость с помощью этого уравнения. Затем строят РЭК как функцию приложенного электрического поля для раковых и здоровых клеток. Щелкните правой кнопкой мыши узел результатов.
Добавьте подузел оценки частиц. А в разделе выражений введите fpt.deff1. K для построения коэффициента CM для частицы one и fpt.deff2.
K для частицы второй. При проводимости жидкой среды 0,01 Siemens на метр и частоте переменного тока 100 килогерц клетки MCF-10A и MCF-7 испытывают положительный диэлектрофорез со значением REK 0,82 и 0,76. При проводимости 0,4 Siemens на метр MCF-10A и MCF-7 показали отрицательное диэлектрофоретическое поведение со значениями REK минус 0,46 и минус 0,31 соответственно.
Когда проводимость была увеличена до 1,2 Сименса на метр, клеточные линии испытали отрицательный диэлектрофорез при 100 килогерцах со значениями REK минус 0,49 и минус 0,43. При проводимости 0,01 Сименса на метр оба типа клеток испытывали положительный диэлектрофорез, двигались в сторону области высокой напряженности электрического поля и выходили из верхнего выхода. Ячейки MCF-10A переместились в верхнюю розетку, в то время как ячейки MCF-7 переместились в нижнее выходное отверстие, когда проводимость была увеличена до 0,4 Siemens на метр с приложенной частотой, зафиксированной на уровне 0,8 мегагерц.
Когда проводимость среды была увеличена до 1,2 Сименса на метр, клеточные линии отошли от областей высокого электрического поля. На частоте 100 килогерц обе клеточные линии испытывали отрицательный диэлектрофорез и двигались к нижнему выходу. Поведение обеих клеточных линий оставалось неизменным до 0,8 мегагерц.
Кроме того, MCF-10A изменили свое диэлектрофоретическое поведение и перешли в положительную диэлектрофоретическую область. При 100 мегагерцах обе клеточные линии испытывали положительную диэлектрофоретику и двигались к верхнему выходу. Эти методы откроют новые площадки для исследователей, которые хотят разделить жизнеспособные и нежизнеспособные клетки и сортировать различные типы раковых клеток, если диэлектрические свойства не одинаковы.
Кроме того, сортировка на основе разных размеров может быть достигнута с использованием одного и того же метода.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучаются диэлектрические свойства клеток рака молочной железы в сравнении с нетуморогенными эпителиальными клетками молочной железы и предлагается метод их разделения с помощью микрофлюидного устройства. Данный метод использует переменный ток диэлектрофореза для осуществления контролируемой сортировки на основе этих различий в диэлектрических свойствах.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Клеточная биология
- Биомедицинская инженерия
- Онкология
Теоретическое обоснование
- Клетки рака молочной железы обладают выраженными диэлектрическими свойствами.
- В качестве контрольной группы используются нетуморогенные эпителиальные клетки молочной железы.
- Диэлектрические свойства могут быть использованы для сепарации клеток.
- Переменный диэлектрофорез является перспективным методом для этой цели.
Цель исследования
- Создать модель микрофлюидного устройства для сортировки раковых клеток молочной железы и здоровых клеток.
- Изучить потенциал применения данного метода в иммунотерапии.
- Продемонстрировать подход к разделению клеток на основе имитационного моделирования.
Используемые методы
- Использование программного обеспечения Multiphysics для моделирования.
- Поддержание постоянной проводимости при изменении частоты.
- Применение метода переменного тока в диэлектрофорезе для сортировки клеток.
- Импорт параметров в модель моделирования.
Основные результаты
- Успешное моделирование разделения клеток на основе их диэлектрических свойств.
- Продемонстрирована возможность поточного разделения типов клеток.
- Создана основа для последующей экспериментальной проверки.
- Освещен потенциал применения в терапевтических целях.
Выводы
- Исследование подтверждает гипотезу о различиях в диэлектрических свойствах.
- Переменный диэлектрофорез эффективен для сортировки раковых и здоровых клеток.
- Данный метод может усовершенствовать стратегии иммунотерапии.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Диэлектрофоретические микрофлюидные платформы обеспечивают безмаркерную высокопроизводительную сепарацию раковых и здоровых клеток на основе их собственных диэлектрических свойств, что способствует валидации мишеней на ранних этапах и снижению механистических рисков. Данный подход, основанный на компьютерном моделировании, обеспечивает прогностическую достоверность рабочих процессов сортировки клеток, облегчая разработку надежных методов анализа и приоритизацию портфеля исследований в области онкологии. Интеграция таких методов повышает достоверность доклинических моделей и служит основой для принятия решений о продвижении проектов с учетом скорректированных рисков.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Обеспечивает функциональную дифференциацию между неметастатическими раковыми и нетрансформированными клетками на основе биофизических признаков.
- Поддерживает снижение механистических рисков за счет изоляции популяций клеток без использования меток или антител.
- Предоставляет среду для имитационного моделирования с целью проверки гипотез о различиях в диэлектрических свойствах.
- Облегчает принятие решений о целесообразности дальнейшего проведения исследований (go/no-go) на ранних этапах разработки онкологических моделей на основе клеток.
Скрининг и разработка анализа
- Подготавливает валидированные популяции клеток для последующих фенотипических или механистических анализов.
- Стандартизирует условия сортинга путем оптимизации проводимости среды и частоты переменного тока.
- Обеспечивает воспроизводимые количественные результаты разделения для готовности к проведению анализа.
- Поддерживает масштабируемые высокопроизводительные рабочие процессы для оценки соединений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет параметры сортировки клеток с биофизическими маркерами, имеющими значение для конкретного заболевания.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации за счет стабильного изолирования популяций клеток.
- Снижает биологическую неопределенность в доклинических моделях, гарантируя чистоту отсортированных популяций.
- Создает платформу для будущих трансляционных исследований биомаркеров на основе диэлектрических свойств.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод микрофлюидного диэлектрофореза применим на этапах от раннего поиска до доклинических исследований, обеспечивая эффективную сортировку клеток для валидации мишеней, разработки анализов и трансляционных исследований в онкологии.
- Открывательная биология: способствует проверке гипотез и уточнению сигнальных путей путем выделения типов клеток на основе диэлектрического отклика.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для стандартизации анализов и подготовки к скринингу.
- Аналитика: предоставляет параметрические данные о проводимости и частотных порогах для оптимального разделения.
- Трансляционные исследования: позволяет согласовать сортировку клеток с биофизическими маркерами, имеющими значение при данной патологии, для обеспечения преемственности на доклиническом этапе.
- Корпоративное повторное использование: предлагает многоразовую платформу для моделирования и сортировки, адаптируемую к другим типам клеток с иными диэлектрическими свойствами.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неопределенность в клеточных моделях.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые и масштабируемые рабочие процессы сортировки клеток.
- Стратегическая ценность: Повышает качество принятия решений о продолжении или прекращении разработок (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет снижения рисков на ранних этапах биологических исследований.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию и продвижение онкологических программ с учетом скорректированных рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области микрофлюидики, диэлектрофореза и использования программного обеспечения для моделирования.
- Необходим доступ к инфраструктуре для компьютерного моделирования и валидированным наборам параметров.
- Требуется межкомандная стандартизация проводимости среды и настроек частоты.
- Адаптация метода для других типов клеток может потребовать дополнительного определения их диэлектрических свойств.
- При применении в новых задачах перед экспериментальной реализацией проводится валидация на основе моделирования.
