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Biopsia Alternativa: il dispositivo "indossabile" cattura le cellule tumorali dal sangue

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Un prototipo di dispositivo indossabile, testato in modelli animali, può raccogliere continuamente cellule tumorali vive direttamente dal sangue del paziente.

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Sviluppato da un team di ingegneri e medici dell'Università del Michigan, potrebbe aiutare i medici a diagnosticare e trattare il cancro in modo più efficace.

"Nessuno vuole fare una biopsia. Se potessimo ottenere abbastanza cellule tumorali dal sangue, potremmo usarle per conoscere la biologia tumorale e l'assistenza diretta ai pazienti. Questa è l'emozione di perché stiamo facendo questo," dice Daniel F. Hayes, M.D., lo Stuart B. Padnos professore di ricerca sul cancro al seno presso l'Università del Michigan Rogel Cancer Center e autore senior sulla carta in Nature Communications.

I tumori possono rilasciare più di 1.000 cellule tumorali nel sangue in un solo minuto. Gli attuali metodi di cattura delle cellule tumorali dal sangue si basano su campioni del paziente, di solito non più di un cucchiaio da tavola prelevato in un unico prelievo. Alcuni prelievi di sangue ritornano senza cellule tumorali, anche in pazienti con cancro avanzato, e un campione tipico non contiene più di 10 cellule tumorali.

Nel corso di un paio d'ore in ospedale, il nuovo dispositivo potrebbe continuamente catturare cellule tumorali direttamente dalla vena, controllando volumi molto più grandi di sangue del paziente. Nei test sugli animali, il chip di acquisizione delle cellule nel dispositivo indossabile ha intrappolato 3,5 volte di più cellule tumorali per millilitro di sangue rispetto ai campioni prelevati mediante prelievo di sangue.

"E' la differenza tra avere una telecamera di sicurezza che scatta un'istantanea di una porta ogni cinque minuti o gira un video. Se un intruso entra tra le istantanee, non lo sapresti", dice Sunitha Nagrath, Ph.D., professore associato di ingegneria chimica alla U-M, che ha guidato lo sviluppo del dispositivo.

La ricerca mostra che la maggior parte delle cellule tumorali non può sopravvivere nel sangue, ma quelle che lo fanno hanno maggiori probabilità di iniziare un nuovo tumore. Tipicamente, sono questi tumori satellite, chiamati metastasi, ad essere mortali, piuttosto che il tumore originale. Ciò significa che le cellule tumorali catturate dal sangue potrebbero fornire informazioni migliori per la pianificazione dei trattamenti rispetto a quelle di una biopsia convenzionale.

Il team ha testato il dispositivo nei cani presso il Colorado State University's Flint Animal Cancer Center in collaborazione con Douglas Thamm, VMD, professore di oncologia veterinaria e direttore della ricerca clinica. Hanno iniettato in animali adulti sani con cellule tumorali umane, che vengono eliminate dal sistema immunitario dei cani nel corso di poche ore senza effetti duraturi.

Per le prime due ore dopo l'iniezione, ai cani è stato somministrato un leggero sedativo e collegato al dispositivo, che ha controllato tra l'1-2% del loro sangue. Allo stesso tempo, i cani avevano il sangue prelevato ogni 20 minuti e le cellule tumorali di questi campioni sono state raccolte da un chip dello stesso disegno.

Il dispositivo riduce una macchina che è tipicamente delle dimensioni di un forno a qualcosa che potrebbe essere indossato al polso e collegato a una vena del braccio. Per la progettazione, il team di ingegneri si è rivolto a Laura Cooling, M.D., docente di patologia clinica presso U-M e direttrice associata della banca del sangue, dove gestisce i sistemi a grandezza naturale.

"Le parti più impegnative erano l'integrazione di tutti i componenti in un unico dispositivo e la garanzia che il sangue non si coagulasse, che le cellule non ostruissero il chip e che l'intero dispositivo fosse completamente sterile", dice Tae Hyun Kim, Ph.D., che ha conseguito il dottorato in ingegneria elettrica presso il Nagrath Lab ed è ora uno studioso post-dottorato presso il California Institute of Technology.

Hanno sviluppato protocolli per mescolare il sangue con l'eparina, un farmaco che previene la coagulazione, e metodi di sterilizzazione che uccidono i batteri senza danneggiare i marcatori immunitari, o anticorpi, sul chip. Kim ha anche confezionato alcune delle più piccole pompe medicali in una scatola stampata in 3-D con l'elettronica e il chip che cattura il cancro.

Il chip stesso è una nuova torsione su uno dei dispositivi a più alta velocità di cattura dal laboratorio di Nagrath. Utilizza l'ossido di grafene nanomateriale per creare fitte foreste di catene molecolari antibody-tipped, permettendogli di intrappolare più dell'80% delle cellule tumorali nel sangue intero che scorre attraverso di esso. Il chip può anche essere utilizzato per coltivare le cellule tumorali catturate, producendo campioni più grandi per ulteriori analisi.

Nei prossimi passi per il dispositivo, il team spera di aumentare il tasso di elaborazione del sangue. Poi, guidati da Thamm, utilizzeranno il sistema ottimizzato per catturare le cellule tumorali dei cani da compagnia che arrivano al centro oncologico come pazienti. Nel laboratorio di Nagrath sono in fase di sviluppo nel laboratorio di Nagrath chip che prendono di mira le proteine sulle superfici delle cellule del cancro al seno canino.

Hayes stima che il dispositivo potrebbe iniziare le prove sull'uomo in tre-cinque anni. Sarebbe usato per aiutare ad ottimizzare i trattamenti per i tumori umani, consentendo ai medici di vedere se le cellule tumorali stanno producendo le molecole che servono come bersaglio per molti nuovi farmaci antitumorali.

"Questo è l'epitome della medicina di precisione, che è così eccitante nel campo dell'oncologia in questo momento", dice Hayes.