Una trampa de células impresa en 3D desarrollada en el laboratorio del profesor asistente de Georgia Tech A. Fatih Sarioglu captura células sanguíneas para aislar células tumorales de una muestra de sangre. Crédito:Allison Carter, Georgia Tech
Encontrar un puñado de células cancerosas escondidas entre miles de millones de células sanguíneas en una muestra de un paciente puede ser como encontrar una aguja en un pajar. En un nuevo enfoque habilitado por trampas de celdas impresas en 3-D, los investigadores están quitando el heno para exponer las células cancerosas.
Atrapar los glóbulos blancos, que son aproximadamente del tamaño de las células cancerosas, y filtrar los glóbulos rojos más pequeños deja atrás las células tumorales, que luego podría usarse para diagnosticar la enfermedad, potencialmente proporcionar una alerta temprana de la recurrencia y permitir la investigación sobre el proceso de metástasis del cáncer. La obra, dirigido por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, podría promover el objetivo del tratamiento personalizado del cáncer al permitir una separación rápida y económica de las células tumorales que circulan en el torrente sanguíneo.
"El aislamiento de las células tumorales circulantes a partir de muestras de sangre completa ha sido un desafío porque buscamos un puñado de células cancerosas mezcladas con miles de millones de glóbulos rojos y blancos normales, "dijo A. Fatih Sarioglu, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE) de Georgia Tech. "Con este dispositivo, Podemos procesar un volumen de sangre clínicamente relevante capturando casi todos los glóbulos blancos y luego filtrando los glóbulos rojos por tamaño. Eso nos deja con células tumorales intactas que se pueden secuenciar para determinar el tipo de cáncer específico y las características únicas del tumor de cada paciente ".
La investigación fue publicada el 20 de septiembre en la revista Laboratorio en un chip , y fue apoyado por una subvención inicial del Centro Integrado de Investigación del Cáncer en Georgia Tech.
Otros intentos de capturar células tumorales circulantes han intentado extraerlas de la sangre utilizando tecnología de microfluidos que reconoce marcadores de superficie específicos en las células cancerosas. Pero debido a que el cáncer puede cambiar con el tiempo, las células malignas no se pueden reconocer con certeza. E incluso si pueden ser capturados, las células tumorales deben eliminarse de los canales tortuosos del dispositivo y separarse del antígeno sin causar daño.
La estudiante de posgrado Chia-Heng Chu ajusta una trampa de células impresa en 3D en el laboratorio del profesor asistente A. Fatih Sarioglu en Georgia Tech. La trampa captura glóbulos blancos para aislar las células tumorales de una muestra de sangre. Crédito:Allison Carter, Georgia Tech
Sarioglu y colaboradores, incluyendo a la estudiante graduada de ECE y primera autora Chia-Heng Chu, decidió adoptar un enfoque diferente, la construcción de trampas impresas en 3D revestidas con antígenos para capturar los glóbulos blancos en una muestra. Las trampas impresas en 3-D permitieron a los investigadores expandir en gran medida el área de superficie para capturar los glóbulos blancos a medida que pasan en las muestras de sangre. Canales de fluido en zigzag, algunos hasta medio metro de largo, aumentar la probabilidad de que todos los glóbulos blancos entren en contacto con la pared de un canal.
"Los dispositivos de microfluidos habituales tienen una sola capa con alturas de canal de 50 a 100 micrones, "Dijo Sarioglu." Son gruesos, pero la mayor parte es solo plástico vacío. El uso de la impresión 3-D nos libera del canal único y nos permite crear muchos canales en tres dimensiones que aprovechan mejor el espacio ".
Si bien la impresión 3-D permitió un aumento en la densidad del canal, eso vino con un desafío significativo. Los dispositivos de microfluidos anteriores podrían diseñarse con canales grabados para transportar la sangre. Pero con los procesos de impresión 3-D que se fabrican capa por capa, los canales tenían que rellenarse con cera para permitir la construcción de más canales encima de ellos. La tortuosa estructura del canal, diseñado para maximizar la interacción de la pared celular, hizo que fuera prácticamente imposible sacar la cera después de la fabricación.
La solución fue diseñar trampas de células que encajen en centrífugas estándar diseñadas para centrifugar muestras para su separación. Las trampas se calentaron en la centrífuga y luego se centrifugaron para permitir que escapara la cera derretida. Después de quitar la cera líquida, los canales recibieron el recubrimiento de antígeno.
Una vez que se extraen los glóbulos blancos, los glóbulos rojos más pequeños pasan a través de un filtro comercial simple que atrapa las células cancerosas y los glóbulos blancos restantes. Luego, las células tumorales se pueden eliminar del filtro, que está integrado en el dispositivo impreso en 3D.
La estudiante graduada de Georgia Tech Chia-Heng Chu y el profesor asistente A. Fatih Sarioglu examinan las células tumorales capturadas con su trampa de células impresas en 3D. La trampa captura glóbulos blancos para aislar las células tumorales de una muestra de sangre. Crédito:Allison Carter, Georgia Tech
El procesamiento mínimo de muestras de sangre es un objetivo del proyecto para que el proceso esté disponible para clínicas y hospitales sin requerir habilidades técnicas especializadas. Un menor procesamiento también reduce el riesgo de daño a las células tumorales y minimiza otros cambios celulares que podrían sesgar la evaluación.
Como parte de la prueba de principio de prueba, los investigadores cubrieron los glóbulos blancos con biotina para acelerar las pruebas. Las trampas de células futuras utilizarán antígenos diseñados para atraer las células a las paredes del canal sin el paso de procesamiento de biotina.
Los investigadores probaron su enfoque agregando células cancerosas a la sangre extraída de personas sanas. Porque sabían cuántas celdas se agregaron, podrían decir cuántos deberían extraer, y el experimento mostró que la trampa podía capturar alrededor del 90 por ciento de las células tumorales. Las pruebas posteriores de muestras de sangre de pacientes con cáncer de próstata aislaron células tumorales de una muestra de sangre completa de 10 mililitros.
Las pruebas incluyeron células de próstata, cáncer de mama y ovario, pero Sarioglu cree que el dispositivo capturará las células tumorales circulantes de cualquier tipo de cáncer porque el mecanismo de eliminación se dirige a las células sanguíneas en lugar de a las células cancerosas.
Los siguientes pasos serán estrechar los canales en el dispositivo, probar la eliminación de glóbulos blancos sin el uso de biotina, aumente el porcentaje de extracción de glóbulos blancos y conecte trampas de células para aumentar la capacidad de captura.
"Esperamos que esto sea realmente una herramienta habilitadora para los médicos, "Dijo Sarioglu." En nuestro laboratorio, la mentalidad siempre apunta a traducir nuestra investigación haciendo que el dispositivo sea lo suficientemente simple como para ser utilizado en hospitales, clínicas y otras instalaciones que ayudarán a diagnosticar enfermedades en los pacientes ".
