Un chip desarrollado por ingenieros mecánicos del Instituto Politécnico de Worcester (WPI) puede atrapar e identificar células cancerosas metastásicas en una pequeña cantidad de sangre extraída de un paciente con cáncer. La tecnología innovadora utiliza un método mecánico simple que ha demostrado ser más eficaz para atrapar las células cancerosas que el enfoque de microfluidos empleado en muchos dispositivos existentes.

El dispositivo WPI utiliza anticuerpos unidos a una serie de nanotubos de carbono en el fondo de un pozo diminuto. Las células cancerosas se depositan en el fondo del pozo, donde se unen selectivamente a los anticuerpos en función de sus marcadores de superficie (a diferencia de otros dispositivos, el chip también puede atrapar estructuras diminutas llamadas exosomas producidas por células cancerosas). Esta "biopsia líquida, "descrito en un número reciente de la revista Nanotecnología , podría convertirse en la base de una simple prueba de laboratorio que podría detectar rápidamente los primeros signos de metástasis y ayudar a los médicos a seleccionar tratamientos dirigidos a las células cancerosas específicas identificadas.

La metástasis es el proceso mediante el cual un cáncer se puede propagar de un órgano a otras partes del cuerpo. típicamente ingresando al torrente sanguíneo. Los diferentes tipos de tumores muestran preferencia por órganos y tejidos específicos; células circulantes de cáncer de mama, por ejemplo, es probable que echen raíces en los huesos, pulmones, y el cerebro. El pronóstico del cáncer metastásico (también llamado cáncer en estadio IV) es generalmente precario, por lo que una técnica que pudiera detectar estas células tumorales circulantes antes de que tengan la oportunidad de formar nuevas colonias de tumores en sitios distantes podría aumentar en gran medida las probabilidades de supervivencia de un paciente.

"El enfoque en capturar células tumorales circulantes es bastante nuevo, "dijo Balaji Panchapakesan, profesor asociado de ingeniería mecánica en WPI y director del Laboratorio de Pequeños Sistemas. "Es un desafío muy difícil, no muy diferente de buscar una aguja en un pajar. Hay miles de millones de glóbulos rojos, decenas de miles de glóbulos blancos, y, quizás, solo un pequeño número de células tumorales flotando entre ellos. Hemos mostrado cómo se pueden capturar esas células con alta precisión ".

El dispositivo desarrollado por el equipo de Panchapakesan incluye una serie de pequeños elementos, cada uno de aproximadamente una décima de pulgada (3 milímetros) de ancho. Cada elemento tiene un pozo, en la parte inferior de los cuales hay anticuerpos unidos a nanotubos de carbono. Cada pocillo contiene un anticuerpo específico que se unirá selectivamente a un tipo de tipo de célula cancerosa, basado en marcadores genéticos en su superficie. Al sembrar elementos con una variedad de anticuerpos, el dispositivo podría configurarse para capturar varios tipos diferentes de células cancerosas utilizando una sola muestra de sangre. En el laboratorio, los investigadores pudieron llenar un total de 170 pozos usando poco menos de 0.3 onzas líquidas (0.85 mililitros) de sangre. Incluso con esa pequeña muestra, capturaron entre una y mil células por dispositivo, con una eficiencia de captura de entre el 62 y el 100 por ciento.

Los nanotubos de carbono utilizados en el dispositivo actúan como semiconductores. Cuando una célula cancerosa se une a uno de los anticuerpos adheridos, crea una firma eléctrica que se puede detectar. Estas señales se pueden utilizar para identificar cuáles de los elementos de la matriz han capturado células cancerosas. Luego, esas matrices individuales se pueden quitar y llevar a un laboratorio, donde las células capturadas se pueden teñir e identificar bajo un microscopio. En el laboratorio, el proceso de generación de firmas eléctricas y vinculantes tomó solo unos minutos, sugiriendo la posibilidad de obtener resultados el mismo día de un análisis de sangre usando el chip, Dice Panchapakesan.

En un artículo publicado en la revista Nanotecnología , El equipo de Panchapakesan, que incluye a los estudiantes de posgrado Farhad Khosravi, el autor principal del artículo, e investigadores de la Universidad de Louisville y la Universidad Thomas Jefferson, describir un estudio en el que anticuerpos específicos para dos marcadores de cáncer de mama metastásico, EpCam y Her2, se unieron a los nanotubos de carbono en el chip. Cuando se colocó en el chip una muestra de sangre que había sido "enriquecida" con células que expresaban esos marcadores, Se demostró que el dispositivo captura de manera confiable solo las celdas marcadas.

Además de capturar células tumorales, Panchapakesan dice que el chip también se adherirá a estructuras diminutas llamadas exosomas, que son producidos por células cancerosas y portan los mismos marcadores. "Estas estructuras de 3 nanómetros altamente elusivas son demasiado pequeñas para ser capturadas con otros tipos de dispositivos de biopsia líquida, como microfluidos, debido a fuerzas cortantes que potencialmente pueden destruirlos, ", señaló." Nuestro chip es actualmente el único dispositivo que potencialmente puede capturar células tumorales circulantes y exosomas directamente en el chip, lo que debería aumentar su capacidad para detectar metástasis. Esto puede ser importante porque la evidencia emergente sugiere que las proteínas diminutas excretadas con exosomas pueden generar reacciones que pueden convertirse en barreras importantes para la administración y el tratamiento efectivos de medicamentos contra el cáncer ".

Panchapakesan dijo que el chip desarrollado por su equipo tiene ventajas adicionales sobre otros dispositivos de biopsia líquida, la mayoría de los cuales utilizan microfluidos para capturar células cancerosas. Además de poder capturar las células tumorales circulantes de manera mucho más eficiente que los chips de microfluidos (en los que las células deben adherirse a los anticuerpos anclados a medida que pasan en una corriente de líquido en movimiento), el dispositivo WPI también es muy eficaz para separar las células cancerosas de las otras células y material en la sangre a través de la sedimentación diferencial.

"Células blancas de la sangre, en particular, son un problema, porque son bastante numerosos en la sangre y pueden confundirse con células cancerosas, ", dijo." Nuestro dispositivo utiliza lo que se llama una estrategia pasiva de agotamiento de leucocitos. Debido a las diferencias de densidad, las células cancerosas tienden a depositarse en el fondo de los pozos (y esto solo ocurre en una ventana estrecha), donde encuentran los anticuerpos. El resto del contenido de sangre permanece en la parte superior de los pozos y simplemente se puede lavar ".

Si bien las pruebas iniciales con el chip se han centrado en el cáncer de mama, Panchapakesan dice que el dispositivo podría configurarse para detectar una amplia gama de tipos de tumores, y ya se están trabajando planes para el desarrollo de un dispositivo avanzado, así como para realizar pruebas para otros tipos de cáncer, incluyendo cáncer de pulmón y páncreas. Dice que imagina el día en que un dispositivo como el suyo podría emplearse no solo para los seguimientos regulares de los pacientes que han tenido cáncer, pero en el cribado rutinario del cáncer.

"Imagínese ir al médico para su examen físico anual, ", dijo." Se le extrae sangre y esa muestra de sangre se puede analizar para una amplia gama de marcadores de células cancerosas. Los cánceres se detectarían en su etapa más temprana y en otras etapas de desarrollo, y los médicos tendrían la proteína o la información genética necesaria de estas células capturadas para personalizar su tratamiento en función de los marcadores específicos de su cáncer. Esta sería realmente una forma de poner su salud en sus propias manos ".