Projeto de um novo chip microfluídico integrado para separação contínua de células tumorais circulantes de células sanguíneas periféricas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17016 (2022) Citar este artigo

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O câncer é uma das principais causas de morte no mundo. Apresentação em estágio avançado, diagnóstico e tratamento inacessíveis são desafios comuns em países desenvolvidos. Detecção, enumeração de Células Tumorais Circulantes (CTC) o mais cedo possível pode levar a um tratamento mais eficaz. O isolamento da CTC em estágio inicial é desafiador devido à baixa probabilidade de sua presença no sangue periférico. Neste estudo, propomos um novo dispositivo de separação CTC de dois estágios, livre de rótulos, rápido e contínuo, baseado em focagem inercial hidrodinâmica e separação dieletroforética. O domínio e o diferencial da força de elevação inercial induzida pela parede e da força de arrasto de Dean dentro de um canal microfluídico curvo resulta na separação baseada no tamanho de glóbulos vermelhos (RBC) e plaquetas (tamanho entre 2–4 µm) de CTC e leucócitos (9– 12,2 µm). Um modelo numérico foi utilizado para investigar o mecanismo de focalização inercial hidrodinâmica em um microcanal curvilíneo. Simulações foram feitas com as hemácias, plaquetas, CTCs e leucócitos (quatro subtipos principais) para selecionar o valor otimizado dos parâmetros no desenho proposto. Na primeira etapa, o comportamento de focalização de células em microescala foi estudado para separar leucócitos e CTCs de hemácias, e plaquetas enquanto CTCs viáveis ​​foram separadas de leucócitos com base em suas propriedades elétricas inerentes usando dieletroforese no segundo estágio. O projeto proposto do dispositivo foi avaliado quanto à eficiência de separação CTC usando simulações numéricas. Este estudo considerou a influência de fatores críticos como relação de aspecto, força dieletroforética, tamanho do canal, taxa de fluxo, eficiência de separação e forma na separação celular. Os resultados mostram que o dispositivo proposto produz CTC viável com eficiência de isolamento de 99,5% com uma vazão de 12,2 ml/h.

Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS) e o Observatório Global do Câncer, o número de novos casos de câncer por ano deve aumentar para 29,5 milhões e o número de mortes relacionadas ao câncer para 16,4 milhões até 20401,2. Na maioria das vezes, o câncer não é diagnosticado e tratado até que as células tumorais tenham metástase por todo o corpo3. Posteriormente, o paciente recai em breve com uma taxa de sobrevivência muito pequena. As Células Tumorais Circulantes (CTCs) são as células que se desprendem de tumores primários, recidivas ou metástases e circulam no sangue periférico, possuindo características antigênicas e genéticas específicas do tumor4. As CTCs podem dar origem ao crescimento secundário de tumores em outros locais do corpo chamados de metástases4. As CTCs têm características morfológicas e moleculares distintas; eles começam a aparecer no sangue total em um estágio muito inicial do desenvolvimento do tumor5. Constatou-se que o diagnóstico da doença, o acompanhamento e a terapia personalizada do câncer podem ser feitos por meio da contabilidade das CTCs6. Considerando o fato, é essencial detectar e avaliar raras CTCs (um marcador não invasivo) para diagnosticar a doença com antecedência suficiente para um tratamento eficaz7. A enumeração de CTCs do sangue total é muito desafiadora devido à sua escassez em pacientes nos estágios iniciais do câncer, ou seja, 1–10 células/ml8 em comparação com outras células 5 × 109/ml hemácias, 2 × 108/ml plaquetas e 1 × 106 leucócitos9. CTCs viáveis ​​são necessárias para análises adicionais de genótipo e fenótipo a jusante para determinar a progressão do câncer. A morfologia heterogênea das células cancerígenas torna seu isolamento tecnicamente difícil10. Um dispositivo de triagem de células com alta sensibilidade é necessário para caracterizar e isolar CTCs viáveis. A detecção de CTC a partir de sangue total, muitas vezes chamada de "biópsia líquida", tem merecido atenção da comunidade científica e clínica11, pois esse método tem potencial para diagnóstico, prognóstico e avaliação da eficácia do tratamento12. Até o momento, vários métodos foram desenvolvidos para a detecção e isolamento de CTCs13,14,15,16,17,18,19,20. As técnicas de isolamento exploram as propriedades biofísicas das CTC que as distinguem do sangue total. Classificadores de células microfluídicas são mais comumente usados ​​para fins de diagnóstico. A tecnologia microfluídica é usada para investigar processos de transporte de fluidos em microcanais. Suas vantagens incluem tamanho de amostra pequeno, tempo de reação curto e baixo custo. Dispositivos lab-on-chip (LOC) com funções integradas baseadas na mesma tecnologia foram desenvolvidos para realizar análises biológicas21,22,23. Os classificadores de células microfluídicas são amplamente classificados como ativos ou passivos. As técnicas ativas utilizam estimulação externa como elétrica, magnética, ótica, acústica, bioquímica, etc.22. Nas técnicas passivas nenhuma força externa é aplicada, ao contrário, elas utilizam propriedades intrínsecas como tamanho, forma, arquitetura do canal e forças hidrodinâmicas23. Algumas técnicas requerem marcação de CTCs antes da separação24,25. As amostras são rotuladas usando certos marcadores de superfície celular, por exemplo, marcação fluorescente, pré-coloração, fixação, etc., para permitir a enumeração e visualização pós-separação. O foco dos pesquisadores tem sido o desenvolvimento de métodos de enumeração e detecção de CTC, incluindo o sistema CellSearch. Grandes esforços têm sido feitos usando técnicas de imunomarcação específicas para células epiteliais, por exemplo, EpCAM ou várias citoqueratinas. No entanto, correm o risco de perder as CTCs que não expressam EpCAM ou que sofreram transição epitelial para mesenquimal (EMT)4,26,27.