Trovare una manciata di cellule cancerose nascoste tra miliardi di cellule del sangue in un campione di un paziente può essere come trovare un ago in un pagliaio. In un nuovo approccio reso possibile dalle trappole cellulari stampate in 3D, i ricercatori stanno rimuovendo il fieno per esporre le cellule tumorali.

Intrappolando i globuli bianchi, che hanno all'incirca le dimensioni delle cellule tumorali, e filtrando i globuli rossi più piccoli si lasciano dietro le cellule tumorali, che potrebbe quindi essere utilizzato per diagnosticare la malattia, potenzialmente fornire un allarme precoce di recidiva e consentire la ricerca sul processo di metastasi del cancro. Il lavoro, guidato da ricercatori del Georgia Institute of Technology, potrebbe far avanzare l'obiettivo del trattamento personalizzato del cancro consentendo la separazione rapida ea basso costo delle cellule tumorali che circolano nel flusso sanguigno.

"Isolare le cellule tumorali circolanti da campioni di sangue intero è stata una sfida perché stiamo cercando una manciata di cellule tumorali mescolate con miliardi di globuli rossi e bianchi normali, " ha detto A. Fatih Sarioglu, un assistente professore presso la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) della Georgia Tech. "Con questo dispositivo, possiamo elaborare un volume di sangue clinicamente rilevante catturando quasi tutti i globuli bianchi e quindi filtrando i globuli rossi in base alle dimensioni. Questo ci lascia con cellule tumorali non danneggiate che possono essere sequenziate per determinare il tipo specifico di cancro e le caratteristiche uniche del tumore di ciascun paziente".

La ricerca è stata riportata il 20 settembre sulla rivista Laboratorio su un chip , ed è stato sostenuto da una sovvenzione seme dal Centro di ricerca sul cancro integrato presso la Georgia Tech.

Altri tentativi di catturare le cellule tumorali circolanti hanno tentato di estrarle dal sangue utilizzando la tecnologia microfluidica che riconosce specifici marcatori di superficie sulle cellule tumorali. Ma poiché il cancro può cambiare nel tempo, le cellule maligne non possono essere riconosciute con certezza. E anche se possono essere catturati, le cellule tumorali devono essere rimosse dai canali tortuosi del dispositivo e separate dall'antigene senza causare danni.

Sarioglu e collaboratori, tra cui lo studente laureato ECE e primo autore Chia-Heng Chu, deciso di adottare un approccio diverso, costruire trappole stampate in 3D rivestite con antigeni per catturare i globuli bianchi in un campione. Le trappole stampate in 3D hanno permesso ai ricercatori di espandere notevolmente la superficie per catturare i globuli bianchi mentre passano nei campioni di sangue. Canali del fluido a zig-zag, alcuni lunghi fino a mezzo metro, aumentare la probabilità che ogni globulo bianco entri in contatto con una parete del canale.

"I normali dispositivi microfluidici hanno un solo strato con altezze di canale da 50 a 100 micron, " Disse Sarioglu. "Sono spessi, ma la maggior parte è solo plastica vuota. L'uso della stampa 3D ci libera dal singolo canale e ci consente di creare molti canali in tre dimensioni che utilizzano meglio lo spazio".

Mentre la stampa 3D ha consentito un aumento della densità dei canali, che è venuto con una sfida significativa. I dispositivi microfluidici precedenti potrebbero essere progettati con canali incisi per trasportare il sangue. Ma con i processi di stampa 3D fabbricati strato per strato, i canali dovevano essere riempiti di cera per consentire la costruzione di più canali sopra di essi. La tortuosa struttura del canale, progettato per massimizzare l'interazione parete cellulare, rendeva praticamente impossibile estrarre la cera dopo la fabbricazione.

La soluzione era progettare trappole cellulari che si adattassero a centrifughe standard progettate per far girare i campioni per la separazione. Le trappole sono state riscaldate nella centrifuga e quindi filate per consentire la fuoriuscita della cera fusa. Dopo aver rimosso la cera liquida, i canali hanno ricevuto il rivestimento dell'antigene.

Dopo che i globuli bianchi sono stati rimossi, i globuli rossi più piccoli passano attraverso un semplice filtro commerciale che intrappola le cellule tumorali e gli eventuali globuli bianchi rimasti. Le cellule tumorali possono quindi essere rimosse dal filtro, che è integrato nel dispositivo stampato in 3D.

L'elaborazione minima dei campioni di sangue è un obiettivo del progetto per rendere disponibile il processo a cliniche e ospedali senza richiedere competenze tecniche specializzate. Una minore elaborazione riduce anche il rischio di danni alle cellule tumorali e riduce al minimo altri cambiamenti cellulari che potrebbero distorcere la valutazione.

Come parte della prova del test di principio, i ricercatori hanno rivestito i globuli bianchi con biotina per accelerare i test. Le future trappole cellulari utilizzeranno antigeni progettati per attirare le cellule verso le pareti del canale senza la fase di elaborazione della biotina.

I ricercatori hanno testato il loro approccio aggiungendo cellule cancerose al sangue prelevato da persone sane. Poiché sapevano quante celle erano state aggiunte, potrebbero dire quanti dovrebbero estrarre, e l'esperimento ha mostrato che la trappola poteva catturare circa il 90% delle cellule tumorali. Successivi test su campioni di sangue di pazienti con cancro alla prostata hanno isolato cellule tumorali da un campione di sangue intero di 10 millilitri.

I test includevano cellule della prostata, cancro al seno e alle ovaie, ma Sarioglu ritiene che il dispositivo catturerà le cellule tumorali circolanti da qualsiasi tipo di cancro perché il meccanismo di rimozione prende di mira le cellule del sangue piuttosto che le cellule tumorali.

Il prossimo passo sarà quello di restringere i canali nel dispositivo, testare la rimozione dei globuli bianchi senza l'uso di biotina, aumentare la percentuale di estrazione dei globuli bianchi e collegare trappole cellulari per aumentare la capacità di intrappolamento.

"Ci aspettiamo che questo sarà davvero uno strumento abilitante per i medici, " ha detto Sarioglu. "Nel nostro laboratorio, la mentalità è sempre quella di tradurre la nostra ricerca rendendo il dispositivo abbastanza semplice da poter essere utilizzato negli ospedali, cliniche e altre strutture che aiuteranno a diagnosticare la malattia nei pazienti".