Un chip sviluppato da ingegneri meccanici del Worcester Polytechnic Institute (WPI) può intrappolare e identificare le cellule tumorali metastatiche in una piccola quantità di sangue prelevato da un malato di cancro. La tecnologia innovativa utilizza un semplice metodo meccanico che si è dimostrato più efficace nell'intrappolare le cellule tumorali rispetto all'approccio microfluidico impiegato in molti dispositivi esistenti.

Il dispositivo WPI utilizza anticorpi attaccati a una serie di nanotubi di carbonio sul fondo di un minuscolo pozzo. Le cellule cancerose si depositano sul fondo del pozzo, dove si legano selettivamente agli anticorpi in base ai loro marcatori di superficie (a differenza di altri dispositivi, il chip può anche intrappolare minuscole strutture chiamate esosomi prodotte dalle cellule tumorali). Questa "biopsia liquida, " descritto in un recente numero della rivista Nanotecnologia , potrebbe diventare la base di un semplice test di laboratorio in grado di rilevare rapidamente i primi segni di metastasi e aiutare i medici a selezionare trattamenti mirati alle cellule tumorali specifiche identificate.

La metastasi è il processo mediante il quale un cancro può diffondersi da un organo ad altre parti del corpo, tipicamente entrando nel flusso sanguigno. Diversi tipi di tumori mostrano una preferenza per organi e tessuti specifici; cellule circolanti del cancro al seno, Per esempio, rischiano di attecchire nelle ossa, polmoni, e il cervello. La prognosi per il cancro metastatico (chiamato anche cancro allo stadio IV) è generalmente sfavorevole, quindi una tecnica in grado di rilevare queste cellule tumorali circolanti prima che abbiano la possibilità di formare nuove colonie di tumori in siti distanti potrebbe aumentare notevolmente le probabilità di sopravvivenza di un paziente.

"Il focus sulla cattura delle cellule tumorali circolanti è abbastanza nuovo, " disse Balaji Panchapakesan, professore associato di ingegneria meccanica presso il WPI e direttore del Small Systems Laboratory. "È una sfida molto difficile, non diversamente dal cercare un ago in un pagliaio. Ci sono miliardi di globuli rossi, decine di migliaia di globuli bianchi, e, forse, solo un piccolo numero di cellule tumorali galleggia tra di loro. Abbiamo mostrato come queste cellule possono essere catturate con alta precisione".

Il dispositivo sviluppato dal team di Panchapakesan include una serie di minuscoli elementi, ciascuno di circa un decimo di pollice (3 millimetri) di diametro. Ogni elemento ha un pozzo, in fondo al quale ci sono anticorpi attaccati a nanotubi di carbonio. Ciascun pozzetto contiene un anticorpo specifico che si legherà selettivamente a un tipo di tipo di cellula cancerosa, sulla base di marcatori genetici sulla sua superficie. Seminando elementi con un assortimento di anticorpi, il dispositivo potrebbe essere configurato per catturare diversi tipi di cellule tumorali utilizzando un singolo campione di sangue. Nel laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di riempire un totale di 170 pozzi utilizzando poco meno di 0,3 once fluide (0,85 millilitri) di sangue. Anche con quel piccolo campione, hanno catturato da una a mille celle per dispositivo, con un'efficienza di cattura compresa tra il 62 e il 100%.

I nanotubi di carbonio utilizzati nel dispositivo fungono da semiconduttori. Quando una cellula cancerosa si lega a uno degli anticorpi attaccati, crea una firma elettrica che può essere rilevata. Questi segnali possono essere utilizzati per identificare quali degli elementi della matrice hanno catturato le cellule cancerose. Questi singoli array possono quindi essere rimossi e portati in un laboratorio, dove le cellule catturate possono essere colorate e identificate al microscopio. Nel laboratorio, il processo di rilegatura e generazione della firma elettrica è durato pochi minuti, suggerendo la possibilità di ottenere risultati in giornata da un esame del sangue utilizzando il chip, dice Panchapakesan.

In un articolo pubblicato sulla rivista Nanotecnologia , La squadra di Panchapakesan, che include gli studenti laureati Farhad Khosravi, l'autore principale del giornale, e ricercatori dell'Università di Louisville e della Thomas Jefferson University, descrivono uno studio in cui anticorpi specifici per due marcatori di carcinoma mammario metastatico, EpCam e Her2, sono stati attaccati ai nanotubi di carbonio nel chip. Quando un campione di sangue che era stato "addizionato" con cellule che esprimevano quei marcatori è stato posto sul chip, il dispositivo ha dimostrato di catturare in modo affidabile solo le celle contrassegnate.

Oltre a catturare le cellule tumorali, Panchapakesan afferma che il chip si attaccherà anche a minuscole strutture chiamate esosomi, che sono prodotti dalle cellule tumorali e portano gli stessi marcatori. "Queste strutture a 3 nanometri altamente sfuggenti sono troppo piccole per essere catturate con altri tipi di dispositivi per biopsia liquida, come la microfluidica, a causa di forze di taglio che possono potenzialmente distruggerli, " ha osservato. "Il nostro chip è attualmente l'unico dispositivo in grado di catturare le cellule tumorali circolanti e gli esosomi direttamente sul chip, che dovrebbe aumentare la sua capacità di rilevare le metastasi. Questo può essere importante perché le prove emergenti suggeriscono che minuscole proteine ​​​​escrete con gli esosomi possono innescare reazioni che possono diventare i principali ostacoli alla somministrazione e al trattamento efficaci di farmaci antitumorali".

Panchapakesan ha affermato che il chip sviluppato dal suo team ha ulteriori vantaggi rispetto ad altri dispositivi per biopsia liquida, la maggior parte dei quali utilizza la microfluidica per catturare le cellule tumorali. Oltre a essere in grado di catturare le cellule tumorali circolanti in modo molto più efficiente rispetto ai chip microfluidici (in cui le cellule devono agganciarsi agli anticorpi ancorati mentre passano in un flusso di liquido in movimento), il dispositivo WPI è anche altamente efficace nel separare le cellule cancerose dalle altre cellule e dal materiale nel sangue attraverso la sedimentazione differenziale.

"Globuli bianchi, in particolare, sono un problema, perché sono abbastanza numerosi nel sangue e possono essere scambiati per cellule cancerose, " ha detto. "Il nostro dispositivo utilizza quella che viene chiamata una strategia di deplezione passiva dei leucociti. A causa delle differenze di densità, le cellule cancerose tendono a depositarsi sul fondo dei pozzetti (e questo avviene solo in una finestra stretta), dove incontrano gli anticorpi. Il resto del contenuto di sangue rimane nella parte superiore dei pozzetti e può essere semplicemente lavato via".

Mentre i test iniziali con il chip si sono concentrati sul cancro al seno, Panchapakesan afferma che il dispositivo potrebbe essere configurato per rilevare una vasta gamma di tipi di tumore, e sono già in corso piani per lo sviluppo di un dispositivo avanzato e per la sperimentazione di altri tipi di cancro, compreso il cancro del polmone e del pancreas. Dice che immagina un giorno in cui un dispositivo come il suo potrebbe essere impiegato non solo per i controlli regolari dei pazienti che hanno avuto il cancro, ma nello screening oncologico di routine.

"Immagina di andare dal dottore per il tuo esame fisico annuale, " ha detto. "Hai sangue prelevato e che un campione di sangue può essere testato per una serie completa di marcatori di cellule tumorali. I tumori verrebbero catturati nella loro prima fase e in altri stadi di sviluppo, e i medici avrebbero le proteine ​​o le informazioni genetiche necessarie da queste cellule catturate per personalizzare il trattamento in base ai marcatori specifici per il cancro. Questo sarebbe davvero un modo per mettere la tua salute nelle tue mani".