Uma única gota de sangue fica no chip de detecção de câncer desenvolvido

Usando a tendência de que as células cancerosas circulantes aderem aos nanotubos de carbono, o chip facilmente produzido em massa captura células vivas e aglomerados celulares de múltiplos tipos e tamanhos com alta confiabilidade e os torna disponíveis para análise. O chip pode ser usado para detectar tumores nos estágios iniciais, antes que eles possam metastatizar.

Detalhes da nova tecnologia são relatados na revista Lab on a Chip (biópsia líquida usando o nanotubo-chip CTC: captura de CTCs invasivas com alta pureza usando aderência preferencial em pacientes com câncer de mama) por uma equipe formada por pesquisadores do WPI, o Departamento de Cirurgia Neurológica da Faculdade de Medicina da Universidade de Massachusetts, e do Centro de Câncer James Graham Brown da Faculdade de Medicina da Universidade de Louisville. Balaji Panchapakesan, professor de engenharia mecânica no WPI, é o líder do projeto.

As altas taxas de mortalidade por câncer são em grande parte atribuídas a tumores que se desenvolvem sem serem detectados até atingir estágios avançados ou inoperáveis, e a metástases (quando as células tumorais viajam pela corrente sanguínea e iniciam novos tumores em outros órgãos). Os cientistas há muito tempo buscam um método que possa capturar de forma confiável as células tumorais enquanto elas viajam pela corrente sanguínea. Essa tecnologia poderia tornar possível a detecção de câncer em estágios iniciais, quando o tratamento tem maior probabilidade de sucesso, e identificar as mudanças genéticas que as células tumorais sofrem quando um câncer está começando a metastizar.

"Isolar CTCs com alta pureza é um desafio significativo, semelhante a encontrar uma agulha em um palheiro", disse Panchapakesan. "Essas células compreendem de uma a dez células entre um bilhão de células do sangue, e o descarte de CTCs de tumores é um processo altamente descontínuo."

Dispositivo ganha em sensibilidade

Vários laboratórios de pesquisa e empresas criaram os chamados dispositivos de biópsia líquida, mas os dispositivos atualmente disponíveis têm limitações importantes, disse Panchapakesan. Estes incluem baixa sensibilidade; a incapacidade de interceptar CTCs de todos os tamanhos e tipos, ou capturar clusters de CTCs junto com culas individuais; dificuldade em recuperar células capturadas dos dispositivos para análise laboratorial; e altos custos de fabricação. Além disso, a contaminação de CTCs capturadas pelas células brancas do sangue, que são similares em tamanho e podem ser confundidas com CTCs, é um problema para muitos dispositivos de biópsia líquida.

O dispositivo desenvolvido pela equipe de Panchapakesan, descrito no Lab on a Chippaper, não tem nenhuma dessas limitações. A peça central do dispositivo é uma camada de nanotubos de carbono que reveste o fundo de um pequeno poço formado em uma pastilha de silício / vidro. Panchapakesan diz que o design do chip tira proveito de uma tendência natural dos CTCs de anexar. "A fim de viajar para um local distante do corpo e iniciar um novo tumor", ele disse, "CTCs precisam da capacidade de anexar em um ambiente que não é propício para o apego. Em pesquisas anteriores, mostramos que eles se ligam preferencialmente aos nanotubos de carbono, mas que os glóbulos brancos não irão, em geral."

Além disso, estudos recentes mostraram que as CTCs são muito mais frágeis do que se acreditava anteriormente e estão sujeitas aos estresses ambientais e mecânicos inerentes à corrente sanguínea. "Essas células não sobrevivem, a menos que você lhes dê uma matriz rocklike para anexar - uma matriz mais suave requer muita energia da célula", disse Panchapakesan.

"É um problema médico na intersecção de engenharia mecânica e biologia", disse ele. "Uma compreensão da biologia das células cancerígenas e como CTCs se comportam nos permitiu projetar um dispositivo baseado em engenharia mecânica."

O fato de os glóbulos brancos não aderirem aos nanotubos torna possível removê-los do chip, deixando os CTCs para trás para serem contados e identificados. Os glóbulos vermelhos, que superam em muito as células tumorais circulantes, também representam um problema. Como eles tendem a se acomodar no fundo do chip, eles podem impedir que os CTCs adiram aos nanotubos. A equipe de pesquisa abordou esse problema lisando ou quebrando os glóbulos vermelhos antes de adicionar uma amostra de sangue ao chip. Eles descobriram que o processo de lise não tem efeito sobre os CTCs.

Testes do chip usando sangue contaminado com um número conhecido de células cancerígenas marcadas com corante fluorescente mostraram que ele tem alta sensibilidade, com entre 89 e 100% das células nas amostras de teste sendo capturadas. Quanto mais tempo o sangue permaneceu em contato com os nanotubos, mais a sensibilidade do chip aumentou. Os testes também foram realizados com amostras de sangue de pacientes com câncer de mama (estágios 1–4) e geraram 100% de sensibilidade para detectar CTCs. As CTCs foram capturadas de todas as sete amostras de pacientes, enquanto nenhuma célula de tumor foi capturada das amostras de dois pacientes saudáveis.

Além disso, o chip capturou CTCs individuais exibindo múltiplos fenótipos de pacientes com câncer em estágio inicial e tardio, outra vantagem potencial do dispositivo. Embora outros métodos usados para capturar células em outros dispositivos exibam vieses que os impedem de capturar toda a gama de fenótipos de células cancerígenas, o chip de nanotubos de carbono WPI parece ter o potencial para isso.

"Esses estudos clínicos iniciais", disse Panchapakesan, "nos quais conseguimos capturar e identificar CTCs individuais de fenótipos variados, mostram que esse dispositivo pode se tornar uma ferramenta importante não apenas para rastrear a progressão de cânceres e sua resposta à radiação ou quimioterapia, mas também ao fazer previsões sobre o provável curso do câncer, o que poderia ajudar os médicos a identificar o curso mais eficaz da terapia."

Os testes também mostraram que o chip de nanotubos de carbono pode capturar células independentemente do seu tamanho e assim como clusters de CTCs, e células individuais. Os clusters de CTC são raros, mas parecem ter uma maior capacidade de semear novos tumores do que CTCs individuais. Como as células se acomodam suavemente nos nanotubos e se prendem a tentáculos que se estendem a partir do corpo celular, elas não são danificadas.

E enquanto as células capturadas devem ser removidas de outros dispositivos para análise, o que pode ser difícil com dispositivos que usam canais microfluídicos estreitos e muitas vezes resulta em danos às células, as células capturadas pelo chip de nanotubos de carbono permanecem viáveis ​​e podem até ser cultivadas. Além disso, como os chips são transparentes, é possível manchar e estudar as células capturadas sem removê-las.

Nanotubos de carbono

O chip descrito no papel Lab on a Chip é a última geração de um chip de biópsia líquida que está sendo desenvolvido há vários anos no Laboratório de Pequenos Sistemas da WPI, em colaboração com a Universidade de Massachusetts Medical School e a Universidade de Louisville.

“Os chips são feitos com materiais e técnicas de fabricação em lote semelhantes às usadas para fazer semicondutores. A geração atual é um conjunto de 76 elementos de poços de teste em uma placa de vidro e silício. Além de possibilitar a produção em massa, o design de vários poços facilita a divisão de uma amostra de sangue entre vários poços. O pequeno volume de sangue colocado em cada poço permite contar com mais precisão as CTCs anexas.

Panchapakesan disse acreditar que a última geração de chips de biópsia líquida de nanotubos de carbono está pronta para testes clínicos. Para esse fim, ele está trabalhando com a StrandSmart Inc., uma start-up do Vale do Silício liderada pela CEO Adrianna Davies. A equipe prevê testar um dispositivo de ponto de atendimento (POC) para detectar câncer nos primeiros estágios globalmente.

"Esta tecnologia potencialmente salvadora pode ter múltiplas aplicações benéficas", disse Panchapakesan. "Isso poderia ajudar a esclarecer os complexos processos biológicos e genéticos envolvidos no câncer. Poderia detectar cânceres em um estágio muito inicial, capturando as células que os tumores nascentes derramavam no sangue. Ele poderia identificar CTCs com potencial metastático antes mesmo de novos tumores começarem, e isso poderia ajudar a moldar tratamentos personalizados para o câncer de cada pessoa. "

A equipe altamente interdisciplinar de pesquisadores que trabalham com essa tecnologia é formada pelos alunos de pós-graduação Masoud Loeian e Farzaneh Farhadi, e pelo pesquisador de pós-doutorado Sadegh Mehdi Aghaei na WPI; Dr. Mark Johnson e Dr. Hong Wei Yang na UMass Medical School; e o estudante de graduação Veeresh Rai, juntamente com o Dr. Farrukh Aqil, o Dr. Mounika Mandadi e o Dr. Shesh N. Rai no JG Brown Cancer Center da Universidade de Louisville. Além disso, a instalação de tecido e biobanco da UMass Medical School forneceu algumas das amostras de pacientes para o estudo.

Sobre o Instituto Politécnico de Worcester

O Worcester Polytechnic Institute, uma comunidade de educadores e pesquisadores orientada por objetivos, é líder global em aprendizado baseado em projetos há 50 anos. Um criador de impacto para o ensino superior e o mundo, o WPI prepara solucionadores de problemas confiantes e competentes com um currículo baseado em projetos que imerge os alunos em experiências autênticas do mundo real.

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