Characterization of a robust flow-through microfluidic device for single-cell electroporation

Abstract

Electroporation, or electropermeabilization, is a physical phenomenon that occurs when a biological cell is subjected to an external electric field. This technique is typically used in laboratory or medical settings when there is a need to deliver molecules that otherwise cannot cross cell’s lipid membrane. A microfluidic device with geometric constriction is proposed to enhance the electric field that the cell experiences when it flows through this section and so provide effective permeabilization in a flow through manner. Electroanalytical experiments were carried out with HeLa cells and stem cells to study the current response of the system and fluorescence experiments were carried out in order to get optical feedback of the process. Voltage pulses of constant magnitude and in the range of tens of seconds were applied with a potentiostat and electrochemical software (chronoamperometry) was used to detect the state of permeabilization of the membrane. Drops in electrical current provided a means of detecting the flow of cells through the channel in real time. It was observed that this current drop is proportional to the size of the cell. It was observed that the profile of the current drop was different when cells reached permeabilization. The release of the fluorescent Calcein from inside the cell confirmed that the membrane was permeabilized. The acquired electrical parameters may be useful data for the functional electroporation of other cell types. In addition, the device could be used for future clinical trials in cell-based medical treatments.

La electroporación, o electropermeabilización, es un fenómeno físico que se produce cuando una célula biológica se somete a un campo eléctrico externo. Esta técnica es típicamente utilizada para aplicaciones de laboratorio o médicas en la cuales se necesita introducir moléculas que de otra forma no pueden atravesar la membrana celular. Un dispositivo microfluídico con constricción geométrica se propone para mejorar el campo eléctrico que la célula experimenta cuando fluye a través de esta sección y así proporcionar permeabilización eficaz en un flujo. Experimentos electroanalíticos se realizaron con células HeLa y células madre para estudiar la respuesta de corriente del sistema y experimentos de fluorescencia se llevaron a cabo con el fin de obtener retroalimentación óptica del proceso. Pulsos de voltaje de magnitud constante y en el rango de decenas de segundos se aplicaron con un potenciostato y un programa de electroquímica (cronoamperometría) se utilizó para detectar el estado de permeabilización de la membrana. Las caídas de corriente eléctrica proveen un medio para detectar el flujo de las células a través del canal en tiempo real. Se observó que esta caída de corriente es proporcional al tamaño de la célula. Se observó que el perfil de la caída de corriente era diferente cuando las células alcanzaron la permeabilización. La liberación de calceína fluorescente del interior de la célula confirmó que ocurrió permeabilización de la membrana. Los parámetros eléctricos adquiridos podrían proveer data útil para la electroporación funcional de otros tipos de células. Además, el dispositivo podría ser utilizado para futuros ensayos clínicos de tratamientos médicos celulares.