Cotidiano, aproximadamente 100 mil millones de nuevas células se crean dentro del cuerpo humano. Estas células se unen a billones de células más viejas para formar los tejidos y órganos de los que dependemos para mantenernos vivos. A veces, cuando se crea una celda, ocurre una mutación dentro de su ADN, transformar la célula en algo defectuoso y potencialmente peligroso para el entorno interno del cuerpo. Generalmente, una célula reconocerá sus propios defectos y se extinguirá rápidamente.

Pero a veces, en lugar de eliminarse a sí mismo, la célula mutada se replica, formando un tumor que podría romperse, metastatizar (es decir, migrar), e invaden otras partes del cuerpo, a menudo a través del torrente sanguíneo. Afortunadamente, Philip LeDuc, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad Carnegie Mellon, en colaboración con Ph.D. el estudiante James Li Wan y la Dra. Carola Neumann, investigadora del cáncer de mama de la Universidad de Pittsburgh, desarrolló un modelo orientado al paciente que los científicos pueden usar para comprender mejor, y eventualmente detener, la migración de células cancerosas.

Según LeDuc, Este proyecto se inició debido al creciente interés que los investigadores han mostrado en la relación entre las ciencias físicas y el cáncer. Dado que los tumores son en realidad físico masas, ambos bioquímicos y Los medios físicos pueden afectar las células cancerosas y los tumores. Después de considerar la conexión entre estos dos temas, LeDuc, Neumann, y Wan centraron su atención en la metástasis y el análisis de células cancerosas. A través de su colaboración, pudieron desarrollar una forma más precisa y relevante de estudiar las células cancerosas.

Aunque el análisis de células se realiza tradicionalmente en una placa de Petri de plástico, el equipo de investigación creó un modelo tridimensional que refleja con mayor precisión las condiciones fisiológicas de un organismo. Con este modelo, los científicos pueden descubrir y analizar las complejidades de las células cancerosas en un entorno que se asemeja más al cuerpo humano.

"La biología se ha estudiado colocando células dentro de placas de Petri durante décadas, "dice LeDuc." Pero la pregunta es, ¿Puedes crear sistemas que sean más relevantes fisiológicamente? Estamos utilizando enfoques de microfluidos y microfabricación para crear sistemas tridimensionales porque las células existen en tejidos tridimensionales; no residen naturalmente en una placa de Petri 2-D ".

Típicamente, Los sistemas de microfluidos (sistemas que transfieren líquidos a nivel microscópico) están hechos de plástico, pero desde LeDuc, Neumann, y Wan buscaban un sistema fisiológicamente más relevante, crearon su sistema de microfluidos utilizando colágeno, la proteína más predominante en el cuerpo humano.

"Como dijo Phil, tradicionalmente cultivamos células en plástico y trabajamos con ellas en placas de Petri, "dice Neumann, profesor asociado de farmacología y biología química en la Universidad de Pittsburgh. "Pero en ninguna parte de su cuerpo tiene plástico. Tener un sistema 3-D que imita las condiciones fisiológicas es una manera mucho mejor de obtener resultados más rápidos y relevantes".

Cada dispositivo de microfluidos creado por el equipo contiene dos componentes clave:un conjunto de canales paralelos que imitan los vasos sanguíneos tradicionales y una concentración de células cancerosas que están incrustadas en el colágeno.

Una vez que se construye un dispositivo, los canales se inyectan con un estimulante químico que se difunde en el colágeno circundante. A medida que las moléculas del estimulante se alejan de los canales, se crea un gradiente biomolecular. Este gradiente hace que las células cancerosas incrustadas se muevan, a menudo de regreso hacia los canales de vasos sanguíneos simulados.

En un paciente si las células cancerosas ingresan al torrente sanguíneo, hacen metástasis y pueden formar tumores cancerosos secundarios. Según LeDuc y Neumann, la mayoría de los pacientes con tumores sólidos generalmente mueren por metástasis, no por el tumor primario en sí mismo, razón por la cual los científicos deben descubrir cómo evitar que ocurra la metástasis en primer lugar.

Las células cancerosas metastatizantes han adquirido la capacidad de pasar del tumor primario al sistema sanguíneo o linfático, un proceso que requiere que las células cancerosas migren y remodelen el tejido tumoral para invadir otras partes del cuerpo. Entonces, para detener la metástasis, los científicos deben comprender qué factores apoyan la movilidad de las células cancerosas y la remodelación de los tejidos. Es por eso que el sistema 3-D desarrollado por LeDuc, Neumann, y Wan es tan importante.

"El cáncer es una enfermedad extremadamente heterogénea, lo que significa que no solo las células cancerosas difieren de un paciente a otro, varían incluso dentro de un tumor, "dice Neumann." Lo mismo es cierto para las metástasis. Dependiendo de su ubicación en el cuerpo, cada tumor secundario adicional también es diferente ".

Para determinar el mejor tratamiento para cada paciente, LeDuc, Neumann, y Wan creen que los investigadores eventualmente podrán usar su sistema para examinar tumores de pacientes con cáncer individuales. En última instancia, este proceso ayudaría a que el tratamiento del cáncer sea más personalizado y eficaz.

"Nuestro modelo podría potencialmente servir como modelo específico para el paciente, "dice Wan, quien realizó los experimentos de laboratorio y analizó los resultados de este estudio. "Y eso es muy importante porque el cáncer es diferente en cada paciente, lo que hace que sea difícil de curar ".

Idealmente, el sistema 3-D desarrollado por LeDuc, Neumann, y Wan les dará a los investigadores y científicos las herramientas que necesitan para evitar que las células cancerosas hagan metástasis en todos los pacientes.

"Al final del día, el tumor que está ahí y no hace nada, está bien, ", dice LeDuc." Pero tan pronto como se vuelve metastásico, todo se desata. Esperamos que nuestro sistema ayude a detener la metástasis y mejore el resultado del paciente a largo plazo ".

El trabajo de investigación del equipo, titulado "Imitación de la estructura de vasculatura incrustada para enfoques de cáncer en 3D en un chip a través de micrresado, "fue publicado en Informes científicos . Además de Philip LeDuc, Carola Neumann, y James Li Wan, Ph.D. en ingeniería mecánica estudiante Jonelle Yu, Profesor de ingeniería mecánica Burak Ozdoganlar (Universidad Carnegie Mellon), y el becario postdoctoral Dr. John Skoko (Universidad de Pittsburgh) contribuyeron a este estudio.