I ricercatori del MIT hanno stampato in 3-D un nuovo dispositivo microfluidico che simula i trattamenti contro il cancro su tessuto tumorale sottoposto a biopsia, in modo che i medici possano esaminare meglio come i singoli pazienti risponderanno a diverse terapie, prima di somministrare una singola dose.

I test sui trattamenti contro il cancro oggi si basano principalmente su tentativi ed errori; i pazienti possono sottoporsi a più terapie lunghe e difficili da tollerare alla ricerca di una che funzioni. Le recenti innovazioni nello sviluppo farmaceutico comportano la crescita di tumori artificiali per testare farmaci su specifici tipi di cancro. Ma questi modelli impiegano settimane per crescere e non tengono conto della composizione biologica di un singolo paziente, che possono influenzare l'efficacia del trattamento.

Il dispositivo dei ricercatori, che può essere stampato in circa un'ora, è un chip leggermente più grande di un quarto, con tre "camini" cilindrici che affiorano dalla superficie. Si tratta di porte utilizzate per immettere e scaricare fluidi, oltre a rimuovere le bolle d'aria indesiderate. I frammenti di tumore sottoposti a biopsia vengono collocati in una camera collegata a una rete di canali che forniscono fluidi, contenenti, ad esempio, agenti immunoterapici o cellule immunitarie, al tessuto. I medici possono quindi utilizzare varie tecniche di imaging per vedere come il tessuto risponde ai farmaci.

Una caratteristica fondamentale è stata l'utilizzo di una nuova resina biocompatibile, tradizionalmente utilizzata per applicazioni dentali, in grado di supportare la sopravvivenza a lungo termine del tessuto sottoposto a biopsia. Sebbene la precedente microfluidica stampata in 3D fosse promettente per i test antidroga, le sostanze chimiche nella loro resina di solito uccidono le cellule rapidamente. I ricercatori hanno catturato immagini di microscopia a fluorescenza che mostrano il loro dispositivo, chiamata piattaforma di analisi del tumore (TAP), mantenuto in vita più del 90% del tessuto tumorale per almeno 72 ore, e potenzialmente molto più a lungo.

Poiché il dispositivo stampato in 3D è facile ed economico da fabbricare, potrebbe essere rapidamente implementato in contesti clinici, dicono i ricercatori. I medici potrebbero, ad esempio, stampare un dispositivo multiplex in grado di supportare più campioni di tumore in parallelo, per consentire la modellizzazione delle interazioni tra frammenti tumorali e molti farmaci diversi, contemporaneamente, per un singolo paziente.

"Le persone in qualsiasi parte del mondo potrebbero stampare il nostro design. Puoi immaginare un futuro in cui il tuo medico avrà una stampante 3D e potrà stampare i dispositivi secondo necessità, "dice Luis Fernando Velásquez-García, un ricercatore nei laboratori di tecnologia dei microsistemi e coautore di un articolo che descrive il dispositivo, che appare nel numero di dicembre del Journal of Microelectromechanical Systems. "Se qualcuno ha il cancro, puoi prendere un po' di fazzoletto nel nostro dispositivo, e mantenere vivo il tumore, per eseguire più test in parallelo e capire cosa funzionerebbe meglio con il trucco biologico del paziente. E poi implementare quel trattamento nel paziente".

Un'applicazione promettente sta testando l'immunoterapia, un nuovo metodo di trattamento che utilizza determinati farmaci per potenziare il sistema immunitario di un paziente e aiutarlo a combattere il cancro. (Il Premio Nobel di quest'anno per la fisiologia o la medicina è stato assegnato a due ricercatori in immunoterapia che hanno progettato farmaci che impediscono a determinate proteine ​​di impedire al sistema immunitario di attaccare le cellule tumorali.) Il dispositivo dei ricercatori potrebbe aiutare i medici a identificare meglio i trattamenti a cui è probabile che un individuo rispondere.

"I trattamenti immunoterapici sono stati specificamente sviluppati per colpire i marcatori molecolari trovati sulla superficie delle cellule tumorali. Ciò aiuta a garantire che il trattamento susciti un attacco diretto sul cancro limitando gli impatti negativi sui tessuti sani. Tuttavia, il cancro di ogni individuo esprime una serie unica di molecole di superficie, in quanto tali, può essere difficile prevedere chi risponderà a quale trattamento. Il nostro dispositivo utilizza il tessuto reale della persona, quindi è perfetto per l'immunoterapia, " dice il primo autore Ashley Beckwith SM '18, un ricercatore laureato nel gruppo di ricerca di Velásquez-García.

Il coautore dell'articolo è Jeffrey T. Borenstein, un ricercatore presso Draper.

Cellule di supporto

I dispositivi di microfluidica sono tradizionalmente realizzati tramite microstampaggio, utilizzando un materiale simile alla gomma chiamato polidimetilsilossano (PDMS). Questa tecnica, però, non era adatto per creare la rete tridimensionale di caratteristiche, come canali del fluido accuratamente dimensionati, che imitano i trattamenti contro il cancro sulle cellule viventi. Anziché, i ricercatori si sono rivolti alla stampa 3D per creare un dispositivo dalle caratteristiche raffinate "monoliticamente", il che significa stampare un oggetto tutto in una volta, senza la necessità di assemblare parti separate.

Il cuore del dispositivo è la sua resina. Dopo aver sperimentato numerose resine per diversi mesi, i ricercatori sono finalmente atterrati su Pro3dure GR-10, che viene utilizzato principalmente per realizzare paradenti che proteggono dal digrignamento dei denti. Il materiale è trasparente quasi quanto il vetro, presenta pochissimi difetti superficiali, e può essere stampato in altissima risoluzione. E, importante, come hanno stabilito i ricercatori, non ha un impatto negativo sulla sopravvivenza cellulare.

Il team ha sottoposto la resina a un test di citotossicità di 96 ore, un test che espone le cellule al materiale stampato e misura quanto quel materiale sia tossico per le cellule. Dopo le 96 ore, le cellule del materiale stavano ancora scalciando. "Quando stampi alcuni di questi altri materiali in resina, emettono sostanze chimiche che interferiscono con le cellule e le uccidono. Ma questo non lo fa, " Velasquez-Garcia dice. "Per quanto ne so, non c'è altro materiale stampabile che si avvicini a questo grado di inerzia. È come se il materiale non ci fosse".

Impostare trappole

Altre due innovazioni chiave sul dispositivo sono la "trappola per bolle" e una "trappola per tumori". Il flusso di fluidi in un tale dispositivo crea bolle che possono interrompere l'esperimento o scoppiare, rilasciando aria che distrugge il tessuto tumorale.

Per rimediare, i ricercatori hanno creato una trappola a bolle, un robusto "camino" che sale dal canale del fluido in una porta filettata attraverso la quale fuoriesce l'aria. Fluido, inclusi vari media, marcatori fluorescenti, o linfociti:vengono iniettati in una porta di ingresso adiacente alla trappola. Il fluido entra attraverso la porta di ingresso e scorre oltre la trappola, dove eventuali bolle nel fluido salgono attraverso la porta filettata e fuoriescono dal dispositivo. Il fluido viene quindi instradato attorno a una piccola inversione a U nella camera del tumore, dove scorre attraverso e intorno al frammento tumorale.

Questa camera di intrappolamento del tumore si trova all'intersezione del canale di ingresso più grande e di quattro canali di uscita più piccoli. frammenti di tumore, meno di 1 millimetro di diametro, vengono iniettati nel canale di ingresso tramite la trappola per bolle, che aiuta a rimuovere le bolle introdotte durante il caricamento. Quando il fluido scorre attraverso il dispositivo dalla porta di ingresso, il tumore è guidato a valle nella trappola del tumore, dove il frammento viene catturato. Il fluido continua a viaggiare lungo i canali di uscita, che sono troppo piccoli per il tumore per adattarsi all'interno, e si scarica dal dispositivo. Un flusso continuo di fluidi mantiene in posizione il frammento tumorale e reintegra costantemente i nutrienti per le cellule.

"Poiché il nostro dispositivo è stampato in 3D, siamo riusciti a realizzare le geometrie che volevamo, nei materiali che volevamo, per ottenere le prestazioni che volevamo, invece di scendere a compromessi tra ciò che è stato progettato e ciò che potrebbe essere implementato, cosa che in genere accade quando si utilizza la microfabbricazione standard, " Afferma Velásquez-García. Aggiunge che la stampa 3D potrebbe presto diventare la tecnica di produzione tradizionale per la microfluidica e altri microsistemi che richiedono progetti complessi.

In questo esperimento, i ricercatori hanno dimostrato di poter mantenere in vita un frammento di tumore e monitorare la vitalità del tessuto in tempo reale con marcatori fluorescenti che fanno risplendere il tessuto. Prossimo, i ricercatori mirano a testare come i frammenti di tumore rispondono a terapie reali.

"Il PDMS tradizionale non può creare le strutture necessarie per questo ambiente in vitro in grado di mantenere vivi i frammenti di tumore per un periodo di tempo considerevole, "dice Roger Howe, professore di ingegneria elettrica alla Stanford University, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Che ora puoi realizzare camere fluide molto complesse che consentiranno ambienti più realistici per testare rapidamente vari farmaci sui tumori, e potenzialmente in contesti clinici, è un contributo importante».

Howe ha anche elogiato i ricercatori per aver fatto il lavoro di gambe per trovare la resina e il design giusti su cui costruire. "Dovrebbero essere accreditati per aver messo quelle informazioni là fuori ... perché [in precedenza] non si sapeva se avevi i materiali o la tecnologia di stampa per renderlo possibile, " dice. Adesso "è una tecnologia democratizzata".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.