Tous les jours, environ 100 milliards de nouvelles cellules sont créées à l'intérieur du corps humain. Ces cellules rejoignent des milliards de cellules plus anciennes pour former les tissus et les organes sur lesquels nous comptons pour rester en vie. Parfois, lorsqu'une cellule est créée, une mutation se produit au sein de son ADN, transformer la cellule en quelque chose de défectueux et potentiellement dangereux pour l'environnement interne du corps. D'habitude, une cellule reconnaîtra ses propres défauts et se terminera rapidement.

Mais parfois, au lieu de s'éliminer, la cellule mutée se réplique, former une tumeur qui pourrait se briser, métastaser (c'est-à-dire migrer), et envahissent d'autres parties du corps, souvent par la circulation sanguine. Heureusement, Professeur de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon Philip LeDuc, en collaboration avec Ph.D. l'étudiant James Li Wan et le Dr Carola Neumann, une chercheuse sur le cancer du sein de l'Université de Pittsburgh, développé un modèle axé sur le patient que les scientifiques peuvent utiliser pour mieux comprendre – et éventuellement arrêter – la migration des cellules cancéreuses.

Selon LeDuc, ce projet a débuté en raison de l'intérêt croissant des chercheurs pour la relation entre la science physique et le cancer. Étant donné que les tumeurs sont en fait physique masses, à la fois biochimique et les moyens physiques peuvent affecter les cellules cancéreuses et les tumeurs. Après avoir examiné le lien entre ces deux sujets, LeDuc, Neumann, et Wan ont tourné leur attention vers l'analyse des métastases et des cellules cancéreuses. Grâce à leur collaboration, ils ont pu développer un moyen plus précis et pertinent d'étudier les cellules cancéreuses.

Bien que l'analyse cellulaire se fasse traditionnellement dans une boîte de Pétri en plastique, l'équipe de recherche a créé un modèle 3D qui reflète plus précisément les conditions physiologiques d'un organisme. Avec ce modèle, les scientifiques peuvent découvrir et analyser les complexités des cellules cancéreuses dans un environnement qui imite plus fidèlement le corps humain.

"La biologie a été étudiée en mettant des cellules à l'intérieur de boîtes de Pétri pendant des décennies, " dit LeDuc. " Mais la question est, pouvez-vous créer des systèmes plus pertinents sur le plan physiologique ? Nous utilisons des approches de microfluidique et de microfabrication pour créer des systèmes tridimensionnels, car les cellules existent dans des tissus tridimensionnels, elles ne résident pas naturellement dans une boîte de Pétri 2D. »

Typiquement, les systèmes microfluidiques - des systèmes qui transfèrent des liquides au niveau microscopique - sont en plastique, mais depuis LeDuc, Neumann, et Wan recherchaient un système plus pertinent sur le plan physiologique, ils ont créé leur système microfluidique en utilisant du collagène, la protéine la plus prédominante dans le corps humain.

"Comme l'a dit Phil, nous cultivons traditionnellement des cellules en plastique et travaillons avec elles dans des boîtes de Pétri, " dit Neumann, professeur agrégé de pharmacologie et de biologie chimique à l'Université de Pittsburgh. "Mais vous n'avez de plastique nulle part dans votre corps. Avoir un système 3D qui imite les conditions physiologiques est un bien meilleur moyen d'obtenir des résultats plus rapides et plus pertinents."

Chaque dispositif microfluidique créé par l'équipe contient deux composants clés :un ensemble de canaux parallèles qui imitent les vaisseaux sanguins traditionnels et une concentration de cellules cancéreuses qui sont incrustées dans le collagène.

Une fois l'appareil construit, les canaux sont injectés avec un stimulant chimique qui diffuse dans le collagène environnant. Au fur et à mesure que les molécules du stimulant s'éloignent des canaux, un gradient biomoléculaire est créé. Ce gradient incite les cellules cancéreuses incrustées à se déplacer, souvent vers les canaux des vaisseaux sanguins simulés.

Chez un patient, si des cellules cancéreuses pénètrent dans la circulation sanguine, ils métastasent et peuvent former des tumeurs cancéreuses secondaires. Selon LeDuc et Neumann, la plupart des patients atteints de tumeurs solides meurent généralement de métastases - et non de la tumeur primaire elle-même - c'est pourquoi les scientifiques doivent trouver un moyen d'empêcher l'apparition de métastases.

Les cellules cancéreuses métastatiques ont acquis la capacité de passer de la tumeur primaire au système sanguin ou lymphatique, un processus qui nécessite que les cellules cancéreuses migrent et remodèlent le tissu tumoral pour envahir d'autres parties du corps. Donc, afin d'arrêter les métastases, les scientifiques doivent comprendre quels facteurs favorisent la mobilité des cellules cancéreuses et le remodelage des tissus. C'est pourquoi le système 3D développé par LeDuc, Neumann, et Wan est si important.

« Le cancer est une maladie extrêmement hétérogène, ce qui signifie que non seulement les cellules cancéreuses diffèrent d'un patient à l'autre, ils varient même au sein d'une même tumeur, " dit Neumann. " La même chose est vraie pour les métastases. Selon leur localisation dans le corps, chaque tumeur secondaire supplémentaire est également différente."

Pour déterminer le meilleur traitement pour chaque patient, LeDuc, Neumann, et Wan croient que les chercheurs pourront éventuellement utiliser leur système pour examiner les tumeurs de patients atteints de cancer. Ce processus contribuerait à terme à rendre le traitement du cancer plus personnalisé et plus efficace.

"Notre modèle pourrait potentiellement servir de modèle spécifique au patient, " dit Wan, qui a mené les expériences en laboratoire et analysé les résultats de cette étude. "Et c'est très important parce que le cancer est différent chez chaque patient, ce qui rend la guérison difficile."

Idéalement, le système 3-D développé par LeDuc, Neumann, et Wan donnera aux chercheurs et aux scientifiques les outils dont ils ont besoin pour empêcher les cellules cancéreuses de se métastaser chez chaque patient.

"À la fin de la journée, la tumeur qui est là et qui ne fait rien, c'est bon, " dit LeDuc. " Mais dès que ça devient métastatique, tout se déchaîne. Nous espérons que notre système aidera à arrêter les métastases et à améliorer les résultats des patients à long terme. »

Le document de recherche de l'équipe, intitulé "Imiting Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling, " a été publié dans Rapports scientifiques . Outre Philippe LeDuc, Carola Neumann, et James Li Wan, doctorat en génie mécanique étudiante Jonelle Yu, professeur de génie mécanique Burak Ozdoganlar (Université Carnegie Mellon), et le boursier postdoctoral Dr John Skoko (Université de Pittsburgh) ont contribué à cette étude.