Un nuovo dispositivo diagnostico ultrasensibile inventato dai ricercatori dell'Università del Kansas, L'Università del Kansas Cancer Center e il KU Medical Center potrebbero consentire ai medici di rilevare rapidamente il cancro da una goccia di sangue o plasma, portando a interventi più tempestivi e migliori risultati per i pazienti.

Il "lab-on-a-chip" per l'analisi della "biopsia liquida", segnalato oggi in Ingegneria biomedica della natura , rileva gli esosomi, piccoli pacchetti di informazioni biologiche prodotte dalle cellule tumorali per stimolare la crescita del tumore o metastatizzare.

"Storicamente, le persone pensavano che gli esosomi fossero come "sacchi della spazzatura" che le cellule potrebbero usare per scaricare contenuti cellulari indesiderati, " ha detto l'autore principale Yong Zeng, Docking Family Scholar e professore associato di chimica alla KU. "Ma negli ultimi dieci anni, gli scienziati si sono resi conto che erano molto utili per inviare messaggi alle cellule riceventi e comunicare informazioni molecolari importanti in molte funzioni biologiche. Fondamentalmente, i tumori emettono esosomi che confezionano molecole attive che rispecchiano le caratteristiche biologiche delle cellule parentali. Mentre tutte le cellule producono esosomi, le cellule tumorali sono davvero attive rispetto alle cellule normali".

L'innovazione chiave del nuovo lab-on-a-chip è un metodo di nanoingegneria 3D che mescola e rileva elementi biologici in base a un modello a spina di pesce che si trova comunemente in natura, spingendo gli esosomi a contatto con la superficie di rilevamento del chip in modo molto più efficiente in un processo chiamato "trasferimento di massa".

"Le persone hanno sviluppato idee intelligenti per migliorare il trasferimento di massa nei canali su microscala, ma quando le particelle si avvicinano alla superficie del sensore, sono separati da un piccolo spazio di liquido che crea una crescente resistenza idrodinamica, " disse Zeng. "Ecco, abbiamo sviluppato una struttura a spina di pesce nanoporosa 3-D in grado di drenare il liquido in quella fessura per portare le particelle a stretto contatto con la superficie dove le sonde possono riconoscerle e catturarle".

Zeng ha paragonato i nanopori del chip a un milione di piccoli lavelli da cucina:"Se hai un lavandino pieno d'acqua e molte palline che galleggiano sulla superficie, come fai a mettere tutte le palline a contatto con il fondo del lavandino dove i sensori potrebbero analizzarle? Il modo più semplice è scaricare l'acqua".

Per sviluppare e testare il dispositivo microfluidico pionieristico, Zeng ha collaborato con un esperto di biomarcatori tumorali e vicedirettore del KU Cancer Center Andrew Godwin presso il Dipartimento di patologia e medicina di laboratorio del KU Medical Center, così come la studentessa Ashley Tetlow nel Biomarker Discovery Lab di Godwin. I collaboratori hanno testato il design del chip utilizzando campioni clinici di pazienti con cancro ovarico, trovare il chip potrebbe rilevare la presenza di cancro in una minuscola quantità di plasma.

"I nostri studi collaborativi continuano a dare frutti e a promuovere un'area cruciale nella ricerca sul cancro e nella cura dei pazienti, vale a dire, strumenti innovativi per la diagnosi precoce, " disse Godwin, che serve come Distinguished Chair del Cancelliere e Professore in Scienze Biomediche e professore e direttore di oncologia molecolare, patologia e medicina di laboratorio presso il KU Medical Center. "Questa area di studio è particolarmente importante per i tumori come quello ovarico, dato che la stragrande maggioranza delle donne viene diagnosticata in una fase avanzata quando, purtroppo, la malattia è per la maggior parte incurabile."

Cosa c'è di più, i nuovi chip microfluidici sviluppati presso KU sarebbero più economici e più facili da realizzare rispetto a progetti comparabili, consentendo test più ampi e meno costosi per i pazienti.

"Quello che abbiamo creato qui è un metodo di nanomodellazione 3D senza la necessità di alcuna attrezzatura di nanofabbricazione fantasiosa:uno studente universitario o anche uno studente delle superiori può farlo nel mio laboratorio, " Zeng ha detto. "Questo è così semplice ea basso costo che ha un grande potenziale da tradurre in contesti clinici. Abbiamo collaborato con il Dr. Godwin e altri laboratori di ricerca presso il KU Cancer Center e il dipartimento di bioscienze molecolari per esplorare ulteriormente le applicazioni traslazionali della tecnologia".

Secondo Zeng, con il design del chip microfluidico ora dimostrato utilizzando il cancro ovarico come modello, il chip potrebbe essere utile per rilevare una serie di altre malattie.

"Ora, stiamo esaminando modelli di coltura cellulare, modelli animali, e anche campioni clinici di pazienti, quindi stiamo davvero facendo delle ricerche traslazionali per spostare il dispositivo dall'ambiente di laboratorio ad applicazioni più cliniche, " ha detto. "Quasi tutte le cellule di mammifero rilasciano esosomi, quindi l'applicazione non è solo limitata al cancro ovarico oa qualsiasi tipo di cancro. Stiamo lavorando con le persone per esaminare le malattie neurodegenerative, tumori della mammella e del colon-retto, Per esempio."

Nel campus Lawrence di KU, Zeng ha lavorato con un team che includeva il borsista postdottorato Peng Zhang, studente laureato Xin Zhou nel Dipartimento di Chimica, così come Mei He, KU assistente professore di chimica e ingegneria chimica.

Questa ricerca è stata supportata da sovvenzioni del National Institutes of Health, tra cui una sovvenzione congiunta R21 (CA1806846) e R33 (CA214333) tra Zeng e Godwin e il Biospecimen Repository Core Facility del KU Cancer Center, finanziato in parte da un National Cancer Institute Cancer Center Support Grant (P30 CA168524).