I campioni di sangue passano attraverso chip microfluidici. I motivi dorati sono troppo piccoli per essere distinti ad occhio nudo nel dispositivo funzionante, con conseguente lucentezza metallica. Credito:Giuseppe Xu, Comunicazione e marketing di ingegneria del Michigan
(Phys.org) —Un chip microfluidico sviluppato presso l'Università del Michigan è tra i migliori per catturare cellule tumorali in circolazione dal sangue e può supportare la crescita delle cellule per ulteriori analisi.
Il dispositivo, creduto di essere il primo ad associare queste funzioni, utilizza il materiale elettronico avanzato ossido di grafene. Nelle cliniche, un dispositivo del genere potrebbe un giorno aiutare i medici a diagnosticare i tumori, fornire prognosi più accurate e testare le opzioni di trattamento su cellule in coltura senza sottoporre i pazienti a biopsie tradizionali.
"Se riusciamo a far funzionare queste tecnologie, farà avanzare nuovi farmaci antitumorali e rivoluzionerà il trattamento dei malati di cancro, " ha detto il dottor Max Wicha, direttore dell'UM Cancer Center e coautore di un articolo sul nuovo dispositivo, pubblicato online questa settimana in Nanotecnologia della natura .
"Le cellule tumorali circolanti giocheranno un ruolo significativo nella diagnosi precoce del cancro e per aiutarci a capire se i trattamenti stanno funzionando nei nostri malati di cancro fungendo da biopsia "liquida" per valutare le risposte al trattamento in tempo reale, " ha detto il co-autore Dr. Diane Simeone, il Lazar J. Greenfield Professor of Surgery presso la U-M Medical School e direttore del Translational Oncology Program.
"Gli studi sulle cellule tumorali circolanti ci aiuteranno anche a comprendere i meccanismi biologici di base con cui le cellule tumorali metastatizzano o si diffondono ad organi distanti, la principale causa di morte nei pazienti oncologici".
Eppure queste cellule non sono all'altezza delle loro promesse in medicina perché sono così difficili da separare da un campione di sangue, dicono i ricercatori. Nel sangue dei malati di cancro allo stadio iniziale, rappresentano meno di una su ogni miliardo di cellule, quindi catturarli è più difficile che trovare il proverbiale ago in un pagliaio.
"Posso bruciare il pagliaio o usare un enorme magnete, " disse Sunitha Nagrath, un assistente professore di ingegneria chimica, che ha condotto la ricerca. "Quando si tratta di cellule tumorali circolanti, sembrano quasi - si sentono come - qualsiasi altra cellula del sangue."
Un microscopio ottico rivela una cellula cancerosa attaccata al motivo floreale.
Sul loro chip microfluidico, Il team di Nagrath ha coltivato fitte foreste di catene molecolari, ciascuno dotato di un anticorpo per aggrapparsi alle cellule tumorali.
Anche dopo che le cellule sono state catturate, è ancora difficile eseguire un'analisi solida solo su una manciata di essi, dicono i ricercatori. Ecco perché questa dimostrazione di cattura di cellule tumorali altamente sensibili, combinato con la capacità di far crescere le cellule nello stesso dispositivo, è così promettente.
Hyeun Joong Yoon, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Nagrath con un background in ingegneria elettrica, è stato determinante nella realizzazione del chip microfluidico. Ha iniziato con una base di silicio e ha aggiunto una griglia di quasi 60, 000 forme piatte d'oro, come fiori a quattro petali, ciascuno non più largo di una ciocca di capelli.
I fiori d'oro hanno naturalmente attratto un materiale relativamente nuovo chiamato ossido di grafene. Questi fogli di carbonio e ossigeno, solo pochi atomi di spessore, si sono sovrapposti all'oro. Questa formazione a strati ha permesso al team di far crescere le catene molecolari che catturano le cellule tumorali così densamente.
"È quasi come se ogni grafene avesse molti nano-bracci per catturare le cellule, " Disse Nagrath.
Per testare il dispositivo, il team ha eseguito campioni di sangue da un millilitro attraverso la sottile camera del chip. Anche quando hanno aggiunto da tre a cinque cellule cancerose ai 5-10 miliardi di cellule del sangue, il chip è stato in grado di catturare tutte le cellule del campione per metà del tempo, con una media del 73% su 10 prove.
"Questo è il più alto che qualcuno abbia mostrato in letteratura per aumentare un numero così basso di cellule, " Disse Nagrath.
Le cellule cancerose si illuminano di verde con etichette fluorescenti.
Il team ha contato le cellule cancerose catturate etichettandole con molecole fluorescenti e osservandole al microscopio. Questi tag hanno reso le cellule tumorali facili da distinguere dalle cellule del sangue catturate accidentalmente. Hanno anche coltivato cellule di cancro al seno in sei giorni, usando un microscopio elettronico per vedere come si diffondono attraverso i fiori d'oro.
"Quando hai celle singole, la quantità di materiale in ogni cellula è spesso così piccola che è difficile sviluppare saggi molecolari, " ha detto Wicha. "Questo dispositivo consente alle cellule di crescere in quantità maggiori in modo da poter fare un'analisi genetica più facilmente".
Il chip potrebbe catturare il pancreas, cellule di cancro al seno e ai polmoni da campioni di pazienti. Nagrath era sorpreso che il dispositivo fosse in grado di catturare circa quattro cellule tumorali per millilitro di sangue dai pazienti con cancro ai polmoni, anche se avevano la forma allo stadio iniziale della malattia.
Lavorando in un team che comprende sia ingegneri che professionisti medici presso la U-M, Nagrath è ottimista sul fatto che la nuova tecnica possa raggiungere le cliniche in tre anni.
Il documento è intitolato "Cattura sensibile di cellule tumorali circolanti mediante nanofogli funzionalizzati di ossido di grafene". L'università sta perseguendo la protezione del brevetto per la proprietà intellettuale e sta cercando partner di commercializzazione per aiutare a portare la tecnologia sul mercato.
