Investigadores del Instituto Politécnico de Worcester WPI han desarrollado un chip hecho de nanotubos de carbono que pueden capturar células tumorales circulantes CTC de todos los tamaños y tipos, y pueden hacerlo con mucha más sensibilidad que las tecnologías existentes. El diseño único delEl dispositivo permite identificar e incluso cultivar fácilmente las células capturadas, lo que podría permitir detectar tumores en etapa temprana, predecir el curso de un cáncer y controlar los efectos de la terapia.
Los detalles de la nueva tecnología se informan en la revista Laboratorio en un chip Biopsia líquida usando el chip nanotubo-CTC: captura de CTC invasivos con alta pureza usando adherencia preferencial en pacientes con cáncer de mama por un equipo compuesto por investigadores de WPI, el Departamento de Cirugía Neurológica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts,y el Centro de Cáncer James Graham Brown en la Facultad de Medicina de la Universidad de Louisville. Balaji Panchapakesan, profesor de ingeniería mecánica en WPI, es el líder del proyecto.
Las altas tasas de mortalidad por cáncer son en gran parte atribuibles a tumores que se desarrollan sin ser detectados hasta que alcanzan etapas avanzadas o inoperables, y a metástasis cuando las células tumorales viajan a través del torrente sanguíneo e inician nuevos tumores en otros órganos. Los científicos han buscado un método que pueda ser confiableatrapar células tumorales a medida que viajan a través del torrente sanguíneo. Dicha tecnología podría permitir detectar cánceres en etapas muy tempranas, cuando es más probable que el tratamiento sea exitoso, y detectar los cambios genéticos que sufren las células tumorales cuando un cáncer comienza a hacer metástasis.
"Aislar CTC con alta pureza es un desafío importante, similar a encontrar una aguja en un pajar", dijo Panchapakesan. "Estas células comprenden tan solo de una a 10 células entre mil millones de células sanguíneas, y la eliminación de CTC de los tumoreses un proceso altamente discontinuo "
Varios laboratorios de investigación y compañías han creado los llamados dispositivos de biopsia líquida, pero los dispositivos actualmente disponibles tienen limitaciones importantes, dijo Panchapakesan. Estos incluyen baja sensibilidad, la incapacidad de atrapar CTC de todos los tamaños y tipos, o capturar grupos.de CTC junto con células individuales; dificultad para recuperar células capturadas de los dispositivos para análisis de laboratorio; y altos costos de fabricación. Además, la contaminación de los CTC capturados por los glóbulos blancos, que son similares en tamaño y pueden confundirse con los CTC, esun problema para muchos dispositivos de biopsia líquida
El dispositivo desarrollado por el equipo de Panchapakesan, descrito en el Laboratorio en un chip el papel no tiene ninguna de estas limitaciones. La pieza central del dispositivo es una capa de nanotubos de carbono que recubre el fondo de un pequeño pozo formado en una oblea de silicio / vidrio. Panchapakesan dice que el diseño del chip aprovecha una tendencia natural de los CTC"Para poder viajar a un sitio distante en el cuerpo y comenzar un nuevo tumor", dijo, "los CTC necesitan la capacidad de unirse en un entorno que no sea propicio para el apego. En investigaciones anteriores, hemos demostrado quese unirán preferentemente a los nanotubos de carbono, pero los glóbulos blancos no lo harán, en general "
Además, estudios recientes han demostrado que los CTC son mucho más frágiles de lo que se creía anteriormente y están sujetos a las tensiones ambientales y mecánicas inherentes al torrente sanguíneo. "Estas células no sobrevivirán a menos que les des una matriz en forma de roca para unirlas- una matriz más suave requiere demasiada energía de la célula ", dijo Panchapakesan.
"Es un problema médico en la intersección de la ingeniería mecánica y la biología", dijo. "La comprensión de la biología de las células cancerosas y el comportamiento de los CTC nos permitió diseñar un dispositivo basado en la ingeniería mecánica".
El hecho de que los glóbulos blancos no se adhieran a los nanotubos hace que sea posible extraerlos del chip, dejando atrás los CTC para ser contados e identificados. Los glóbulos rojos, que superan ampliamente a las células tumorales circulantes, también plantean un problemaDado que tienden a asentarse en el fondo del chip, podrían evitar que los CTC se adhieran a los nanotubos. El equipo de investigación abordó este problema lisando o separando los glóbulos rojos antes de agregar una muestra de sangre al chip.descubrió que el proceso de lisis no tiene efecto en los CTC.
Las pruebas del chip con sangre enriquecida con un número conocido de células cancerosas marcadas con tinte fluorescente mostraron que tiene una alta sensibilidad, con la captura de entre el 89 y el 100 por ciento de las células en las muestras de prueba. La sensibilidad del chip aumentócuanto más tiempo permanezca la sangre en contacto con los nanotubos. Las pruebas también se realizaron con muestras de sangre de pacientes con cáncer de mama real etapas 1-4 y arrojaron una sensibilidad del 100 por ciento para detectar CTC. Los CTC se capturaron de las siete muestras de pacientes, mientras que noSe capturaron células tumorales de las muestras de dos pacientes sanos.
Además, el chip capturó CTC individuales que exhiben múltiples fenotipos de pacientes con cáncer en etapa temprana y tardía, otra ventaja potencial del dispositivo. Mientras que otros métodos utilizados para capturar células en otros dispositivos exhiben sesgos que les impiden capturar el rango completode fenotipos de células cancerosas, el chip de nanotubos de carbono WPI parece tener el potencial para hacerlo.
"Estos estudios clínicos iniciales", dijo Panchapakesan, "en los que pudimos capturar e identificar CTC individuales de diferentes fenotipos, muestran que este dispositivo podría convertirse en una herramienta importante no solo para rastrear la progresión de los cánceres y su respuesta a la radiacióno quimioterapia, pero también para hacer predicciones sobre el curso probable del cáncer, lo que podría ayudar a los médicos a identificar el curso más efectivo de la terapia ".
Las pruebas también mostraron que el chip de nanotubos de carbono puede capturar células independientemente de su tamaño y también puede capturar grupos de CTC además de células individuales. Los grupos de CTC son raros, pero parecen tener una mayor capacidad para sembrar nuevos tumores queCTC individuales. Debido a que las células se asientan suavemente sobre los nanotubos y se adhieren con zarcillos que se extienden desde el cuerpo celular, no se dañan.
Y si bien las células capturadas deben eliminarse de otros dispositivos para el análisis, lo que puede ser difícil con dispositivos que utilizan canales microfluídicos estrechos y a menudo daña las células, las células capturadas por el chip de nanotubos de carbono siguen siendo viables e incluso pueden cultivarseAdemás, debido a que los chips son transparentes, es posible teñir y estudiar las células capturadas sin eliminarlas.
El chip descrito en el Laboratorio en un chip el papel es la última generación de un chip de biopsia líquido que se ha desarrollado durante varios años en el Laboratorio de Pequeños Sistemas de Panchapakesan en WPI en colaboración con la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts y la Universidad de Louisville.
Los chips están hechos con materiales y técnicas de fabricación por lotes similares a los utilizados para fabricar semiconductores. La generación actual es una matriz de 76 elementos de pozos de prueba en una oblea de vidrio y silicio. Además de hacer posible la producción en masa, elEl diseño del pozo facilita la división de una muestra de sangre entre varios pozos. El pequeño volumen de sangre colocado en cada pozo permite contar con mayor precisión los CTC adjuntos.
Panchapakesan dijo que cree que la última generación de chips de biopsia líquida de nanotubos de carbono está lista para ensayos clínicos. Con ese fin, está trabajando con StrandSmart Inc., una nueva empresa de Silicon-Valley dirigida por la CEO Adrianna Davies. El equipo prevé realizar pruebasun dispositivo de punto de atención POC para detectar el cáncer en las primeras etapas a nivel mundial.
"Esta tecnología que podría salvar vidas podría tener múltiples aplicaciones beneficiosas", dijo Panchapakesan. "Podría ayudar a arrojar luz sobre los complejos procesos biológicos y genéticos que están en juego en el cáncer. Podría detectar cánceres en una etapa muy temprana al capturar las células".que los tumores nacientes se vierten en la sangre. Podría identificar los CTC con potencial metastásico incluso antes de que comiencen los nuevos tumores, y podría ayudar a dar forma a los tratamientos personalizados para el cáncer de cada persona ".
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Materiales proporcionado por Instituto Politécnico de Worcester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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