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Il nuovo chip liquido di biopsia cattura le celle di circolazione del tumore con la maggior sensibilità

I ricercatori all'istituto politecnico di Worcester (WPI) hanno sviluppato un chip fatto dei nanotubes del carbonio che possono catturare le celle di circolazione del tumore (CTCs) di tutti i dimensioni e tipi e possono agire in tal modo con la sensibilità ben maggior che le tecnologie attuali. La progettazione unica dell'unità permette di identificare facilmente e perfino coltivare le celle catturate, in grado di permettere di individuare i tumori della fase iniziale, di predire il corso di un cancro e di riflettere gli effetti della terapia.

I dettagli della nuova tecnologia sono riferiti nel laboratorio del giornale su un chip (biopsia liquida facendo uso del nanotube-CTC-chip: bloccaggio di CTCs dilagante con elevata purezza facendo uso di aderenza preferenziale nei pazienti di cancro al seno) da un gruppo che consiste dei ricercatori a WPI, del dipartimento di ambulatorio neurologico all'università di facoltà di medicina di Massachusetts e del centro del Cancro di James Graham Brown all'università di scuola di medicina di Louisville. Balaji Panchapakesan, professore dell'ingegneria meccanica a WPI, è il cavo del progetto.

Gli alti tassi di mortalità del cancro sono in gran parte attribuibili allo sviluppo dei tumori inosservato finché non raggiungano le fasi avanzate o inoperanti ed alla metastasi (quando le celle del tumore attraversano through la circolazione sanguigna ed iniziano i nuovi tumori in altri organi). Gli scienziati lungamente hanno cercato un metodo che può snare attendibilmente le celle del tumore mentre attraversano through la circolazione sanguigna. Tale tecnologia potrebbe permettere di individuare i cancri molto alle fasi iniziali, quando il trattamento è più probabile riuscire e di macchiare i cambiamenti genetici che le celle del tumore subiscono quando un cancro sta cominciando a riprodurrsi per metastasi.

L'isolazione del CTCs con elevata purezza è una sfida significativa, analoga dell'individuazione del ago di stampa in un mucchio di fieno. Queste celle comprendono soltanto una - 10 celle in miliardo globuli e lo spargimento di CTCs dai tumori è un trattamento altamente discontinuo.„

Balaji Panchapakesan, professore di ingegneria meccanica, WPI

Una serie di laboratori di ricerca e società hanno creato le cosiddette unità liquide di biopsia, ma le unità attualmente disponibili presentano le limitazioni importanti, Panchapakesan ha detto. Questi comprendono la sensibilità bassa; l'incapacità di intrappolare CTCs di tutti i dimensioni e tipi, o di catturare i cluster di CTCs con le diverse celle; difficoltà nel recupero delle celle catturate dalle unità per analisi del laboratorio; ed alti costi di produzione. Inoltre, la contaminazione di CTCs catturato dai globuli bianchi, a cui sia simile nella dimensione e può essere confuso CTCs, è un problema per molte unità liquide di biopsia.

L'unità sviluppata dal gruppo di Panchapakesan, descritto nel laboratorio su un documento del chip, non ne ha di queste limitazioni. Il centro dell'unità è un livello di nanotubes del carbonio che allinea il fondo di piccolo ben formato in un silicio/wafer di vetro. Panchapakesan dice che la progettazione di chip approfitta di una tendenza naturale di CTCs a fissare. “per viaggiare ad un sito distante nell'organismo ed iniziare un nuovo tumore,„ ha detto, “bisogno di CTCs la capacità di fissare in un ambiente che non è favorevole al collegamento. Nella ricerca precedente, abbiamo indicato che fisseranno preferenziale ai nanotubes del carbonio, ma che i globuli bianchi non non, generalmente.„

Inoltre, gli studi recenti hanno indicato che CTCs è molto più fragile precedentemente del creduto di e sono conforme agli sforzi ambientali e meccanici inerenti alla circolazione sanguigna. “Queste celle non sopravvivranno a a meno che diate loro una matrice rocklike per fissare a--una matrice più molle richiede troppa energia proveniente dalla cella,„ Panchapakesan ha detto.

“È un problema di salute all'intersezione dell'ingegneria meccanica e biologia,„ ha detto. “Una comprensione della biologia delle cellule tumorali e come CTCs si comporta ci ha permesso di progettare un'unità tecnica assistenza meccanica.„

Il fatto che i globuli bianchi non aderiscono ai nanotubes permette di eliminarli dal chip, lasciante il CTCs dietro da contare ed identificare. I globuli rossi, che oltrepassano notevolmente le celle di circolazione del tumore, egualmente pongono un problema. Poiché tendono a sistemarsi al fondo del chip, potrebbero impedire CTCs l'aderenza ai nanotubes. Il gruppo di ricerca ha affrontato questo problema facendo l'elettrolisi, o rompendosi su, i globuli rossi prima dell'aggiunta del campione di sangue al chip. Hanno trovato che il trattamento facente l'elettrolisi non ha effetto sul CTCs.

Le prove del chip facendo uso di sangue chiodato con un numero conosciuto delle cellule tumorali hanno etichettato con la tintura fluorescente hanno indicato che ha un'alta sensibilità, con fra 89 e 100 per cento delle celle nei campioni che sono catturati. (La sensibilità del chip ha aumentato più lungo il sangue è rimanere in contatto con i nanotubes.) Le prove egualmente si sono allontanate con i campioni di sangue dai pazienti di cancro al seno reali (fasi 1-4) ed hanno reso la sensibilità di 100 per cento per la rilevazione del CTCs. CTCs è stato catturato da tutti e sette i campioni pazienti, mentre nessuna cella del tumore è stata catturata dai campioni da due pazienti in buona salute.

Che cosa è più, il CTCs determinato catturato chip che esibisce i fenotipi multipli dai malati di cancro della tardi-fase e presto, un altro vantaggio potenziale dell'unità. Mentre altri metodi impiegati per catturare le celle in altre unità esibiscono le tendenziosità che le impediscono la cattura dell'intervallo completo dei fenotipi della cellula tumorale, il chip del nanotube del carbonio di WPI sembra avere il potenziale di agire in tal modo.

“Questi studi clinici iniziali,„ Panchapakesan ha detto, “in cui potevamo catturare ed identificare CTCs determinato dei fenotipi varianti, indica che questa unità potrebbe trasformarsi in in uno strumento importante non solo per tenere la carreggiata la progressione dei cancri e della loro risposta a radiazione o alla chemioterapia, ma anche nella fabbricazione delle previsioni circa il corso probabile del cancro, in grado di aiutare l'identità dei medici il corso più efficace della terapia.„

Gli esami egualmente hanno provato che il chip del nanotube del carbonio può catturare le celle indipendentemente dalla loro dimensione e può anche catturare i cluster di CTCs oltre alle diverse celle. (I cluster del ctc sono rari, ma sembrano avere una maggior capacità di seminare i nuovi tumori che CTCs determinato.) Poiché le celle si sistemano delicatamente sui nanotubes e si agganciano con i viticci che si estendono dal corpo cellulare, non sono danneggiate.

E mentre le celle catturate devono essere eliminate da altre unità per l'analisi, che può essere difficile con le unità che utilizzano i canali microfluidic stretti e spesso provocano il danneggiamento delle celle, le celle catturate dal chip del nanotube del carbonio rimangono possibili e possono anche essere coltivate. Inoltre, perché i chip sono trasparenti, è possibile macchiare e studiare le celle catturate senza eliminarle.

Il chip descritto nel laboratorio su un documento del chip è l'ultima generazione di chip liquido di biopsia che ha avuto luogo in sviluppo per parecchi anni nel laboratorio dei piccoli sistemi di Panchapakesan a WPI in collaborazione con l'università di facoltà di medicina di Massachusetts e l'università di Louisville.

I chip sono fatti con i materiali e le tecniche di montaggio in lotti simili a quelle usate per fare i semiconduttori. La generazione corrente è una schiera di 76 elementi dei pozzi della prova su un vetro e su una lastra di silicio. Oltre a permettere la fabbricazione in serie, la progettazione multi--bene lo rende facile spaccare un campione di sangue fra i pozzi multipli. Il piccolo volume di sangue collocato in ciascuno buono permette più esattamente al conteggio il CTCs fissato.

Panchapakesan ha detto crede che l'ultima generazione di chip liquido di biopsia del nanotube del carbonio fosse pronta per i test clinici. Verso quell'estremità, sta lavorando con StrandSmart Inc., una partenza di Silicon Valley piombo dal CEO Adrianna Davies. Il gruppo prevede di verificare un punto dell'unità (POC) di cura per individuare il cancro nelle fasi più iniziali globalmente.

“Questa potenzialmente tecnologia di salvataggio potrebbe avere applicazioni utili di multiplo,„ Panchapakesan ha detto. “Potrebbe contribuire a fare luce sui trattamenti biologici e genetici complessi a gioco nel cancro. Potrebbe individuare i cancri molto ad una fase iniziale catturando le celle che i tumori nascenti hanno sparso nel sangue. Potrebbe identificare CTCs con potenziale metastatico prima che i nuovi tumori anche cominciasse e potrebbe aiutare i trattamenti di forma su misura al cancro di ogni persona.„

Source:
Journal reference:

Loeian, M.S. et al. (2019) Liquid biopsy using the nanotube-CTC-chip: capture of invasive CTCs with high purity using preferential adherence in breast cancer patients. Lab on a Chip. doi.org/10.1039/C9LC00274J.