Invece di cercare un ago in un pagliaio, e se fossi in grado di spazzare l'intero pagliaio da una parte, lasciando solo l'ago dietro? Questa è la strategia seguita dai ricercatori del College of Engineering dell'Università della Georgia nello sviluppo di un nuovo dispositivo microfluidico che separa le sfuggenti cellule tumorali circolanti (CTC) da un campione di sangue intero.

Le CTC si staccano dai tumori cancerosi e fluiscono attraverso il flusso sanguigno, potenzialmente portare a nuovi tumori metastatici. L'isolamento delle CTC dal sangue fornisce un'alternativa minimamente invasiva per la comprensione di base, diagnosi e prognosi del cancro metastatico. Ma la maggior parte degli studi è limitata dalle sfide tecniche nell'acquisizione di CTC intatte e vitali con una contaminazione minima.

"Un tipico campione di 7-10 millilitri di sangue può contenere solo poche CTC, " disse Leidong Mao, un professore della Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'UGA e ricercatore principale del progetto. "Si nascondono nel sangue intero con milioni di globuli bianchi. È una sfida mettere le mani su un numero sufficiente di CTC in modo che gli scienziati possano studiarli e capirli".

Anche le cellule tumorali circolanti sono difficili da isolare perché all'interno di un campione di poche centinaia di CTC, le singole cellule possono presentare molte caratteristiche. Alcuni assomigliano alle cellule della pelle mentre altri assomigliano alle cellule muscolari. Possono anche variare notevolmente nelle dimensioni.

"Le persone spesso paragonano la ricerca di CTC alla ricerca di un ago in un pagliaio, " disse Mao. "Ma a volte l'ago non è nemmeno un ago."

Per isolare in modo più rapido ed efficiente queste cellule rare per l'analisi, Mao e il suo team hanno creato un nuovo chip microfluidico che cattura quasi ogni CTC in un campione di sangue, oltre il 99%, una percentuale notevolmente più alta rispetto alla maggior parte delle tecnologie esistenti.

Il team chiama il suo nuovo approccio al rilevamento CTC "separazione cellulare ferroidrodinamica integrata, " o iFCS. Delineano i loro risultati in uno studio pubblicato sulla Royal Society of Chemistry's Laboratorio su un chip .

Il nuovo dispositivo potrebbe essere "trasformativo" nel trattamento del cancro al seno, secondo Melissa Davis, un assistente professore di biologia cellulare e dello sviluppo presso Weill Cornell Medicine e collaboratore del progetto.

"I medici possono trattare solo ciò che possono rilevare, " Davis ha detto. "Spesso non siamo in grado di rilevare alcuni sottotipi di CTC, ma con il dispositivo iFCS cattureremo tutti i sottotipi di CTC e determineremo anche quali sottotipi sono i più informativi riguardo alla ricaduta e alla progressione della malattia".

Davis ritiene che il dispositivo possa in definitiva consentire ai medici di valutare la risposta di un paziente a trattamenti specifici molto prima di quanto sia attualmente possibile.

Mentre la maggior parte degli sforzi per catturare le cellule tumorali circolanti si concentra sull'identificazione e l'isolamento delle poche CTC in agguato in un campione di sangue, l'iFCS adotta un approccio completamente diverso eliminando tutto ciò che nel campione non è una cellula tumorale circolante.

Il dispositivo, delle dimensioni di un'unità USB, funziona incanalando il sangue attraverso canali di diametro inferiore a quello di un capello umano. Per preparare il sangue per l'analisi, il team aggiunge perline magnetiche di dimensioni micron ai campioni. I globuli bianchi nel campione si attaccano a queste sfere. Quando il sangue scorre attraverso il dispositivo, i magneti sulla parte superiore e inferiore del chip attirano i globuli bianchi e le loro sfere magnetiche lungo un canale specifico mentre le cellule tumorali circolanti continuano in un altro canale.

Il dispositivo combina tre passaggi in un chip microfluidico, un altro progresso rispetto alle tecnologie esistenti che richiedono dispositivi separati per le varie fasi del processo.

"Il primo passo è un filtro che rimuove grandi detriti nel sangue, " disse Yang Liu, uno studente di dottorato nel dipartimento di chimica dell'UGA e co-autore del documento. "La seconda parte esaurisce le sfere magnetiche extra e la maggior parte dei globuli bianchi. La terza parte è progettata per focalizzare i globuli bianchi rimanenti al centro del canale e per spingere i CTC verso le pareti laterali".

Wujun Zhao è l'altro autore principale del documento. Zhao, uno studioso post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, ha lavorato al progetto mentre completava il suo dottorato in chimica all'UGA.

"Il successo del nostro dispositivo integrato è che ha la capacità di arricchire quasi tutte le CTC indipendentemente dal loro profilo dimensionale o dall'espressione dell'antigene, " ha detto Zhao. "I nostri risultati hanno il potenziale per fornire alla comunità di ricerca sul cancro informazioni chiave che potrebbero essere perse dalle attuali tecnologie di arricchimento basate sulle proteine ​​o sulla dimensione".

I ricercatori affermano che i loro prossimi passi includono l'automazione dell'iFCS e rendendolo più user-friendly per le impostazioni cliniche. Devono anche mettere alla prova il dispositivo nelle prove sui pazienti. Mao ei suoi colleghi sperano che altri collaboratori si uniscano a loro e prestino la loro esperienza al progetto.