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O chip 'Labyrinth' pode ajudar a monitorar as células-tronco agressivas do câncer

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ANN ARBOR - Inspirado no Labirinto de Creta, da mitologia grega, um novo chip gravado com canais fluidos envia amostras de sangue através de um labirinto hidrodinâmico, para separar as raras células cancerosas circulantes em um fluxo relativamente limpo para análise. Já está em uso em um estudo clínico de câncer de mama.

O sangue corre através do chip de labirinto, separando rapidamente as células cancerosas dos glóbulos brancos e vermelhos. Imagem: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.O sangue corre através do chip de labirinto, separando rapidamente as células cancerosas dos glóbulos brancos e vermelhos. Imagem: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.

As células tumorais isoladas pelas amostras de sangue têm o potencial de revolucionar o tratamento do câncer ao permitir que os médicos planejem tratamentos personalizados, monitorem alterações genéticas e sinalizem a presença de células agressivas que possam espalhar o câncer. O problema é que as células cancerígenas circulantes representam apenas uma em um bilhão de células sanguíneas. E até agora, não haviam boas opções para capturar com precisão as células-tronco cancerígenas, que são consideradas especialmente agressivas e resistentes a drogas.

"Você não pode colocar uma caixa em torno dessas células", disse Sunitha Nagrath, professora associada de Engenharia Química da Universidade de Michigan, que liderou o desenvolvimento do chip junto com Max Wicha, professor de Oncologia da Michigan Medicine. Wicha é um dos pioneiros da hipótese de células estaminais de câncer.

As células-tronco do câncer são fluidas em sua expressão gênica, passando de células-tronco que são boas para sobreviver no sangue para tipos de células mais comuns, que são melhores para crescer e se dividir. A segmentação celular convencional, através da captura de proteínas conhecidas por estar na superfície celular, não funciona bem.

"Os marcadores para elas são tão complexos, não há um marcador que possamos focar em todas essas etapas", disse Nagrath.

Eric Lin se prepara para executar amostras de sangue através do chip de labirinto, que pode isolar as células cancerosas de forma eficaz sem confiar nas expectativas de quais proteínas estarão nas suas superfícies. Foto: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.Eric Lin se prepara para executar amostras de sangue através do chip de labirinto, que pode isolar as células cancerosas de forma eficaz sem confiar nas expectativas de quais proteínas estarão nas suas superfícies. Foto: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.A classificação baseada por tamanho supera esse problema, mas até o labirinto, essa técnica era muito imprecisa para ser utilizada sozinha. Os chips convencionais, com canais em forma espiral, deixaram cada célula cancerígena contaminada com milhares de outras células - particularmente células brancas do sangue.

O labirinto na espiral - que além de curvas tem cantos - classifica o conteúdo do sangue de acordo com os tamanhos das células, com pequenas células brancas e vermelhas acumuladas em diferentes partes do canal de fluido. Várias forças estão em jogo: no interior de uma curva, os redemoinhos empurram as partículas para longe da parede. As células de câncer maiores são pressionadas um pouco mais do que os glóbulos brancos menores. Na parte externa da curva, partículas menores se sentem mais atraídas pela parede.

Mas a inovação do labirinto é seu ousado número de cantos.

"As células maiores, como a maioria das células cancerígenas, se concentram rapidamente devido à curvatura. Mas quanto menor a célula, mais tempo leva para se concentrar", disse Nagrath. "Os cantos produzem uma ação de mistura que faz com que os glóbulos brancos menores se aproximem da posição de equilíbrio muitomais rápido".

A rota tortuosa também comprovou que Eric Lin, primeiro autor no estudo Cell Systems, e estudante de doutorado em Engenharia Química, conseguiu colocar 60 centímetros de canal em um chip que só conteria 10 centímetros, em um layout em espiral.

Além disso, sem a necessidade de esperar que as células cancerosas se liguem a armadilhas ou marcadores, o fluxo de sangue através do chip foi muito rápido. A equipe poderia reduzir o número de glóbulos brancos contaminando a amostra de células cancerígenas por 10 vezes, apenas executando a porção capturada do sangue através de um segundo chip de labirinto - um processo que demorou apenas cinco minutos extras.

Mil glóbulos brancos misturados com cerca de 9 a 50 células tumorais podem parecer muito, mas esse nível de contaminação é gerenciável no laboratório na análise de uma célula única. A equipe analisou células individuais para explorar quais genes eram ativos - e quais mutações estavam presentes - nas células cancerosas.

O chip de labirinto poderia ajudar os médicos a procurar células agressivas, semelhantes a células-tronco cancerígenas no sangue do paciente. Foto: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.O chip de labirinto poderia ajudar os médicos a procurar células agressivas, semelhantes a células-tronco cancerígenas no sangue do paciente. Foto: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing.Através do perfil genético, a equipe poderia escolher as células que estavam a caminho ou em direção contrária a células que se expressam como tronco, capturando assim o espectro das células-tronco cancerígenas. Eles testaram o chip com amostras de sangue de pacientes com câncer pancreático e de mama em níveis avançado.

"Nós acreditamos que isso pode ser uma maneira de monitorar pacientes em ensaios clínicos," disse Wicha. "Ao invés de apenas contar as células as capturando, podemos realizar análises moleculares para saber como podemos direcionar os tratamentos".

No teste clínico de Wicha, o chip do labirinto está isolando as células cancerosas do sangue de pacientes com câncer de mama agressivo. O estudo está investigando se um tratamento que bloqueia uma molécula de sinalização imune chamada interleucina-6, que ajuda a curar feridas ativando temporariamente células estaminais adultas, pode ajudar contra casos de câncer de mama que não respondem a tratamentos padrão.

A suspeita é que a interleucina-6 está habilitando as células-tronco do câncer, então eles esperam ver a população de células do tronco do sangue em queda durante o tratamento.

O título do estudo sobre Sistemas de Células, em inglês, é "High throughput microfluidic labyrinth for the label free isolation of CTCs for single cell gene expression profiling."