Ogni giorno, circa 100 miliardi di nuove cellule vengono create all'interno del corpo umano. Queste cellule si uniscono a trilioni di cellule più vecchie per formare i tessuti e gli organi su cui facciamo affidamento per rimanere in vita. A volte quando viene creata una cella, avviene una mutazione all'interno del suo DNA, trasformando la cellula in qualcosa di difettoso e potenzialmente pericoloso per l'ambiente interno del corpo. Generalmente, una cellula riconoscerà i propri difetti e si risolverà rapidamente.

Ma a volte, invece di autoeliminarsi, la cellula mutata si replica, formando un tumore che potrebbe rompersi, metastatizzare (cioè migrare), e invadere altre parti del corpo, spesso attraverso il flusso sanguigno. Fortunatamente, Philip LeDuc, professore di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University, in collaborazione con Ph.D. studente James Li Wan e la dott.ssa Carola Neumann, un ricercatore sul cancro al seno dell'Università di Pittsburgh, ha sviluppato un modello orientato al paziente che gli scienziati possono utilizzare per comprendere meglio e infine fermare la migrazione delle cellule tumorali.

Secondo LeDuc, questo progetto è iniziato a causa del crescente interesse che i ricercatori hanno mostrato nel rapporto tra scienza fisica e cancro. Dal momento che i tumori sono in realtà fisico masse, entrambi biochimici e mezzi fisici possono influenzare le cellule tumorali e i tumori. Dopo aver considerato la connessione tra questi due argomenti, LeDuc, Neumann, e Wan hanno rivolto la loro attenzione alle metastasi e all'analisi delle cellule tumorali. Attraverso la loro collaborazione, sono stati in grado di sviluppare un modo più accurato e pertinente per studiare le cellule tumorali.

Sebbene l'analisi cellulare avvenga tradizionalmente in una capsula di Petri di plastica, il team di ricerca ha creato un modello 3D che riflette in modo più accurato le condizioni fisiologiche di un organismo. Con questo modello, gli scienziati possono scoprire e analizzare le complessità delle cellule tumorali in un ambiente che imita più da vicino il corpo umano.

"La biologia è stata studiata per decenni inserendo cellule all'interno di capsule di Petri, " dice LeDuc. "Ma la domanda è, puoi creare sistemi che siano più fisiologicamente rilevanti? Stiamo usando approcci di microfluidica e microfabbricazione per creare sistemi tridimensionali perché le cellule esistono in tessuti tridimensionali, non risiedono naturalmente in una capsula di Petri 2-D".

Tipicamente, i sistemi microfluidici, ovvero i sistemi che trasferiscono liquidi a livello microscopico, sono realizzati in plastica, ma poiché LeDuc, Neumann, e Wan stavano cercando un sistema più fisiologicamente rilevante, hanno creato il loro sistema microfluidico utilizzando il collagene, la proteina più predominante nel corpo umano.

"Come ha detto Phil, tradizionalmente coltiviamo cellule in plastica e lavoriamo con esse in piastre di Petri, "dice Neumann, professore associato di farmacologia e biologia chimica presso l'Università di Pittsburgh. "Ma da nessuna parte nel tuo corpo hai plastica. Avere un sistema 3D che imita le condizioni fisiologiche è un modo molto migliore per ottenere risultati più rapidi e più rilevanti".

Ogni dispositivo microfluidico creato dal team contiene due componenti chiave:una serie di canali paralleli che imitano i vasi sanguigni tradizionali e una concentrazione di cellule cancerose incorporate nel collagene.

Una volta costruito un dispositivo, nei canali viene iniettato uno stimolante chimico che si diffonde nel collagene circostante. Man mano che le molecole dello stimolante si allontanano dai canali, viene creato un gradiente biomolecolare. Questo gradiente spinge le cellule tumorali incorporate a spostarsi, spesso indietro verso i canali dei vasi sanguigni simulati.

In un paziente, se le cellule tumorali entrano nel flusso sanguigno, metastatizzano e possono formare tumori secondari del cancro. Secondo LeDuc e Neumann, la maggior parte dei pazienti con tumori solidi di solito muore per metastasi, non per il tumore primario stesso, motivo per cui gli scienziati devono capire come impedire che si verifichino metastasi in primo luogo.

Le cellule tumorali metastatizzanti hanno acquisito la capacità di spostarsi dal tumore primario al sistema sanguigno o linfatico, un processo che richiede alle cellule tumorali di migrare e rimodellare il tessuto tumorale per invadere altre parti del corpo. Così, per fermare le metastasi, gli scienziati devono capire quali fattori supportano la mobilità delle cellule cancerose e il rimodellamento dei tessuti. Ecco perché il sistema 3D sviluppato da LeDuc, Neumann, e Wan è così importante.

"Il cancro è una malattia estremamente eterogenea, il che significa che non solo le cellule tumorali differiscono da paziente a paziente, variano anche all'interno di un tumore, " dice Neumann. "Lo stesso vale per le metastasi. A seconda della loro posizione nel corpo, anche ogni tumore secondario aggiuntivo è diverso".

Per determinare il miglior trattamento per ogni paziente, LeDuc, Neumann, e Wan credono che i ricercatori saranno finalmente in grado di utilizzare il loro sistema per esaminare i tumori di singoli malati di cancro. Questo processo alla fine contribuirebbe a rendere il trattamento del cancro più personalizzato ed efficace.

"Il nostro modello potrebbe potenzialmente fungere da modello specifico per il paziente, "dice Wan, che ha condotto gli esperimenti di laboratorio e ha analizzato i risultati di questo studio. "E questo è molto importante perché il cancro è diverso in ogni paziente, il che rende difficile la cura".

Idealmente, il sistema 3-D sviluppato da LeDuc, Neumann, e Wan forniranno a ricercatori e scienziati gli strumenti di cui hanno bisogno per impedire alle cellule cancerose di metastatizzare in ogni paziente.

"Alla fine del giorno, il tumore che è seduto lì e non fa nulla, va bene, " dice LeDuc. "Ma non appena diventa metastatico, tutto si scatena. Speriamo che il nostro sistema aiuti a fermare le metastasi e a migliorare l'esito del paziente a lungo termine".

Il documento di ricerca del team, intitolato "Imitazione della struttura vascolare incorporata per il cancro 3-D su un approccio chip attraverso la microfresatura, " è stato pubblicato in Rapporti scientifici . Oltre a Philip LeDuc, Carola Neumann, e James Li Wan, dottorato di ricerca in ingegneria meccanica studentessa Jonelle Yu, Professore di ingegneria meccanica Burak Ozdoganlar (Carnegie Mellon University), e il dottor John Skoko (Università di Pittsburgh) hanno contribuito a questo studio.