Une puce développée par des ingénieurs mécaniciens du Worcester Polytechnic Institute (WPI) peut piéger et identifier les cellules cancéreuses métastatiques dans une petite quantité de sang prélevée sur un patient cancéreux. La technologie révolutionnaire utilise une méthode mécanique simple qui s'est avérée plus efficace pour piéger les cellules cancéreuses que l'approche microfluidique utilisée dans de nombreux dispositifs existants.

Le dispositif WPI utilise des anticorps attachés à un réseau de nanotubes de carbone au fond d'un petit puits. Les cellules cancéreuses se déposent au fond du puits, où ils se lient sélectivement aux anticorps en fonction de leurs marqueurs de surface (contrairement à d'autres dispositifs, la puce peut également piéger de minuscules structures appelées exosomes produites par les cellules cancéreuses). Cette "biopsie liquide, " décrit dans un numéro récent de la revue Nanotechnologie , pourrait devenir la base d'un simple test de laboratoire qui pourrait rapidement détecter les premiers signes de métastases et aider les médecins à sélectionner des traitements ciblés sur les cellules cancéreuses spécifiques identifiées.

La métastase est le processus par lequel un cancer peut se propager d'un organe à d'autres parties du corps, généralement en entrant dans la circulation sanguine. Différents types de tumeurs montrent une préférence pour des organes et des tissus spécifiques; cellules cancéreuses du sein circulantes, par exemple, sont susceptibles de prendre racine dans les os, poumons, et le cerveau. Le pronostic du cancer métastatique (également appelé cancer de stade IV) est généralement sombre, ainsi, une technique capable de détecter ces cellules tumorales circulantes avant qu'elles n'aient la possibilité de former de nouvelles colonies de tumeurs sur des sites distants pourrait augmenter considérablement les chances de survie d'un patient.

"L'accent mis sur la capture des cellules tumorales circulantes est assez nouveau, " dit Balaji Panchapakesan, professeur agrégé de génie mécanique à WPI et directeur du Small Systems Laboratory. "C'est un défi très difficile, un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin. Il y a des milliards de globules rouges, des dizaines de milliers de globules blancs, et, peut-être, seul un petit nombre de cellules tumorales flottant parmi elles. Nous avons montré comment ces cellules peuvent être capturées avec une grande précision."

L'appareil développé par l'équipe de Panchapakesan comprend un ensemble d'éléments minuscules, chacun environ un dixième de pouce (3 millimètres) de diamètre. Chaque élément a un puits, au fond desquels se trouvent des anticorps fixés sur des nanotubes de carbone. Chaque puits contient un anticorps spécifique qui se lie sélectivement à un type de cellule cancéreuse, basé sur des marqueurs génétiques à sa surface. En semant des éléments avec un assortiment d'anticorps, l'appareil pourrait être configuré pour capturer plusieurs types différents de cellules cancéreuses à l'aide d'un seul échantillon de sang. Dans le laboratoire, les chercheurs ont pu remplir un total de 170 puits en utilisant un peu moins de 0,3 once liquide (0,85 millilitre) de sang. Même avec ce petit échantillon, ils ont capturé entre un et mille cellules par appareil, avec une efficacité de capture comprise entre 62 et 100 pour cent.

Les nanotubes de carbone utilisés dans le dispositif agissent comme des semi-conducteurs. Lorsqu'une cellule cancéreuse se lie à l'un des anticorps attachés, il crée une signature électrique qui peut être détectée. Ces signaux peuvent être utilisés pour identifier les éléments de la matrice qui ont capturé des cellules cancéreuses. Ces baies individuelles peuvent ensuite être retirées et emmenées dans un laboratoire, où les cellules capturées peuvent être colorées et identifiées au microscope. Dans le laboratoire, le processus de génération de la reliure et de la signature électrique n'a pris que quelques minutes, suggérant la possibilité d'obtenir les résultats d'un test sanguin le jour même à l'aide de la puce, dit Panchapakesan.

Dans un article publié dans la revue Nanotechnologie , L'équipe de Panchapakesan, qui comprend les étudiants diplômés Farhad Khosravi, l'auteur principal de l'article, et des chercheurs de l'Université de Louisville et de l'Université Thomas Jefferson, décrivent une étude dans laquelle des anticorps spécifiques de deux marqueurs du cancer du sein métastatique, EpCam et Her2, ont été attachés aux nanotubes de carbone dans la puce. Lorsqu'un échantillon de sang « enrichi » de cellules exprimant ces marqueurs a été placé sur la puce, il a été démontré que l'appareil ne capture de manière fiable que les cellules marquées.

En plus de capturer les cellules tumorales, Panchapakesan dit que la puce s'accrochera également à de minuscules structures appelées exosomes, qui sont produites par les cellules cancéreuses et portent les mêmes marqueurs. "Ces structures de 3 nanomètres très insaisissables sont trop petites pour être capturées avec d'autres types de dispositifs de biopsie liquide, comme la microfluidique, en raison des forces de cisaillement qui peuvent potentiellement les détruire, " a-t-il noté. " Notre puce est actuellement le seul appareil qui peut potentiellement capturer les cellules tumorales circulantes et les exosomes directement sur la puce, ce qui devrait augmenter sa capacité à détecter les métastases. Cela peut être important car des preuves émergentes suggèrent que de minuscules protéines excrétées avec les exosomes peuvent entraîner des réactions qui peuvent devenir des obstacles majeurs à l'administration et au traitement efficaces des médicaments contre le cancer. »

Panchapakesan a déclaré que la puce développée par son équipe présente des avantages supplémentaires par rapport aux autres dispositifs de biopsie liquide, dont la plupart utilisent la microfluidique pour capturer les cellules cancéreuses. En plus de pouvoir capturer les cellules tumorales circulantes beaucoup plus efficacement que les puces microfluidiques (dans lesquelles les cellules doivent s'accrocher aux anticorps ancrés lorsqu'elles passent dans un flux de liquide en mouvement), le dispositif WPI est également très efficace pour séparer les cellules cancéreuses des autres cellules et matières dans le sang par décantation différentielle.

"Globules blancs, en particulier, sont un problème, car elles sont assez nombreuses dans le sang et peuvent être confondues avec des cellules cancéreuses, ", a-t-il déclaré. "Notre appareil utilise ce qu'on appelle une stratégie passive d'épuisement des leucocytes. En raison des différences de densité, les cellules cancéreuses ont tendance à se déposer au fond des puits (et cela ne se produit que dans une fenêtre étroite), où ils rencontrent les anticorps. Le reste du contenu sanguin reste au sommet des puits et peut simplement être emporté."

Alors que les premiers tests avec la puce se sont concentrés sur le cancer du sein, Panchapakesan dit que l'appareil pourrait être configuré pour détecter un large éventail de types de tumeurs, et des plans sont déjà en cours pour le développement d'un appareil avancé ainsi que des tests pour d'autres types de cancer, y compris le cancer du poumon et du pancréas. Il dit qu'il envisage un jour où un appareil comme le sien pourrait être utilisé non seulement pour le suivi régulier des patients qui ont eu un cancer, mais dans le dépistage de routine du cancer.

"Imaginez aller chez le médecin pour votre examen médical annuel, " Il a dit. "Vous avez fait une prise de sang et cet échantillon de sang peut être testé pour une gamme complète de marqueurs de cellules cancéreuses. Les cancers seraient détectés à leur stade le plus précoce et à d'autres stades de développement, et les médecins auraient les protéines ou les informations génétiques nécessaires à partir de ces cellules capturées pour personnaliser votre traitement en fonction des marqueurs spécifiques de votre cancer. Ce serait vraiment un moyen de prendre votre santé en main."