Un piège à cellules imprimé en 3D développé dans le laboratoire du professeur adjoint de Georgia Tech A. Fatih Sarioglu capture des cellules sanguines pour isoler des cellules tumorales à partir d'un échantillon de sang. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Trouver une poignée de cellules cancéreuses cachées parmi des milliards de cellules sanguines dans un échantillon de patient peut être comme trouver une aiguille dans une botte de foin. Dans une nouvelle approche permise par des pièges à cellules imprimés en 3D, les chercheurs enlèvent le foin pour exposer les cellules cancéreuses.
Le piégeage des globules blancs - qui ont à peu près la taille des cellules cancéreuses - et le filtrage des globules rouges plus petits laissent derrière eux les cellules tumorales, qui pourrait ensuite être utilisé pour diagnostiquer la maladie, potentiellement fournir un avertissement précoce de la récidive et permettre la recherche sur le processus de métastase du cancer. L'oeuvre, dirigé par des chercheurs du Georgia Institute of Technology, pourrait faire avancer l'objectif d'un traitement personnalisé du cancer en permettant une séparation rapide et peu coûteuse des cellules tumorales circulant dans le sang.
« Isoler les cellules tumorales circulantes à partir d'échantillons de sang total a été un défi car nous recherchons une poignée de cellules cancéreuses mélangées à des milliards de globules rouges et blancs normaux, " a déclaré A. Fatih Sarioglu, professeur adjoint à la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) de Georgia Tech. "Avec cet appareil, nous pouvons traiter un volume de sang cliniquement pertinent en capturant presque tous les globules blancs, puis en filtrant les globules rouges par taille. Cela nous laisse avec des cellules tumorales intactes qui peuvent être séquencées pour déterminer le type de cancer spécifique et les caractéristiques uniques de la tumeur de chaque patient."
La recherche a été publiée le 20 septembre dans la revue Laboratoire sur puce , et a été soutenu par une subvention de démarrage du Centre intégré de recherche sur le cancer de Georgia Tech.
D'autres tentatives pour capturer les cellules tumorales circulantes ont tenté de les extraire du sang en utilisant une technologie microfluidique qui reconnaît des marqueurs de surface spécifiques sur les cellules cancéreuses. Mais parce que le cancer peut évoluer avec le temps, les cellules malignes ne peuvent pas être reconnues avec certitude. Et même s'ils peuvent être capturés, les cellules tumorales doivent être retirées des canaux détournés du dispositif et séparées de l'antigène sans causer de dommages.
L'étudiant diplômé Chia-Heng Chu ajuste un piège à cellules imprimé en 3D dans le laboratoire du professeur adjoint A. Fatih Sarioglu à Georgia Tech. Le piège capture les globules blancs pour isoler les cellules tumorales d'un échantillon de sang. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Sarioglu et collaborateurs, y compris l'étudiant diplômé de l'EPE et premier auteur Chia-Heng Chu, décidé d'adopter une approche différente, construire des pièges imprimés en 3D garnis d'antigènes pour capturer les globules blancs dans un échantillon. Les pièges imprimés en 3D ont permis aux chercheurs d'élargir considérablement la surface de capture des globules blancs lors de leur passage dans les échantillons de sang. Canaux fluides en zigzag, certains jusqu'à un demi-mètre de long, augmenter la probabilité que chaque globule blanc entre en contact avec une paroi du canal.
"Les dispositifs microfluidiques habituels n'ont qu'une seule couche avec des hauteurs de canal de 50 à 100 microns, " dit Sarioglu. " Ils sont épais, mais la plupart ne sont que du plastique vide. L'utilisation de l'impression 3D nous libère du canal unique et nous permet de créer de nombreux canaux en trois dimensions qui utilisent mieux l'espace."
Alors que l'impression 3D a permis d'augmenter la densité des canaux, qui est venu avec un défi important. Les dispositifs microfluidiques antérieurs pouvaient être conçus avec des canaux gravés pour transporter le sang. Mais avec des processus d'impression 3D fabriqués couche par couche, les canaux devaient être remplis de cire pour permettre à plus de canaux d'être construits au-dessus d'eux. La structure tortueuse du canal, conçu pour maximiser l'interaction cellule-paroi, rendait pratiquement impossible l'extraction de la cire après la fabrication.
La solution consistait à concevoir des pièges à cellules qui s'insèrent dans des centrifugeuses standard conçues pour faire tourner les échantillons pour la séparation. Les pièges ont été chauffés dans la centrifugeuse puis centrifugés pour permettre à la cire fondue de s'échapper. Après avoir retiré la cire liquide, les canaux ont reçu le revêtement antigénique.
Une fois les globules blancs retirés, les globules rouges plus petits passent à travers un simple filtre commercial qui piège les cellules cancéreuses et les globules blancs restants. Les cellules tumorales peuvent ensuite être retirées du filtre, qui est intégré dans le dispositif imprimé en 3D.
Chia-Heng Chu, étudiante diplômée de Georgia Tech, et le professeur adjoint A. Fatih Sarioglu examinent les cellules tumorales capturées à l'aide de leur piège à cellules imprimé en 3D. Le piège capture les globules blancs pour isoler les cellules tumorales d'un échantillon de sang. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Le traitement minimal des échantillons de sang est un objectif du projet visant à rendre le processus accessible aux cliniques et aux hôpitaux sans nécessiter de compétences techniques spécialisées. Moins de traitement réduit également le risque de dommages aux cellules tumorales et minimise d'autres changements cellulaires qui pourraient fausser l'évaluation.
Dans le cadre des tests de preuve de principe, les chercheurs ont enduit les globules blancs de biotine pour accélérer les tests. Les futurs pièges à cellules utiliseront des antigènes conçus pour attirer les cellules vers les parois des canaux sans l'étape de traitement de la biotine.
Les chercheurs ont testé leur approche en ajoutant des cellules cancéreuses au sang prélevé sur des personnes en bonne santé. Parce qu'ils savaient combien de cellules ont été ajoutées, ils pourraient dire combien ils devraient extraire, et l'expérience a montré que le piège pouvait capturer environ 90 pour cent des cellules tumorales. Des tests ultérieurs d'échantillons de sang de patients atteints de cancer de la prostate ont isolé des cellules tumorales à partir d'un échantillon de sang total de 10 millilitres.
Les tests comprenaient des cellules de la prostate, cancer du sein et de l'ovaire, mais Sarioglu pense que l'appareil capturera les cellules tumorales circulantes de tout type de cancer, car le mécanisme d'élimination cible les cellules sanguines plutôt que les cellules cancéreuses.
Les prochaines étapes consisteront à réduire les canaux dans l'appareil, tester l'élimination des globules blancs sans utiliser de biotine, augmenter le pourcentage d'extraction de globules blancs et connecter des pièges à cellules pour augmenter la capacité de piégeage.
« Nous nous attendons à ce que ce soit vraiment un outil habilitant pour les cliniciens, " dit Sarioglu. " Dans notre laboratoire, l'état d'esprit est toujours de traduire nos recherches en rendant l'appareil suffisamment simple pour être utilisé dans les hôpitaux, cliniques et autres installations qui aideront à diagnostiquer la maladie chez les patients. »
