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Oct 11, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3213 (2023) Citare questo articolo

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Le cellule tumorali circolanti (CTC) sono cellule tumorali rare che raramente si diffondono da tumori primari o metastatici all'interno del flusso sanguigno del paziente. La determinazione delle caratteristiche genetiche di queste cellule paranormali fornisce dati significativi per guidare la stadiazione e il trattamento del cancro. La focalizzazione cellulare mediante chip microfluidici è stata implementata come metodo efficace per arricchire le CTC. Le distinte posizioni di equilibrio delle particelle con diametri diversi attraverso la larghezza del microcanale nella simulazione hanno mostrato che era possibile isolare e concentrare le cellule di cancro al seno (BCC) dai globuli bianchi con un numero di Reynolds moderato. Pertanto dimostriamo un isolamento ad alto rendimento delle BCC utilizzando un metodo microfluidico passivo, basato sulle dimensioni e privo di etichette basato su forze idrodinamiche mediante un dispositivo microfluidico a spirale non convenzionale (combinazione di anelli lunghi e inversione a U) per isolare sia CTC che WBC con alta efficienza e purezza (oltre il 90%) a una portata di circa 1,7 ml/min, che ha una produttività elevata rispetto a quelli simili. A questa portata aurea, fino al 92% delle CTC sono state separate dalla sospensione cellulare. Il suo rapido tempo di elaborazione, la semplicità e la potenziale capacità di raccogliere CTC da grandi volumi di sangue del paziente consentono l'uso pratico di questo metodo in molte applicazioni.

Il cancro è riconosciuto come la seconda causa di morte nel mondo. Si stima che il numero di decessi correlati al cancro raggiungerà i 13 milioni entro il 2030. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ritiene che almeno il 30% di questi decessi possa essere prevenuto se i pazienti vengono diagnosticati e curati prima che si verifichino le metastasi del cancro. Le metastasi tumorali si verificano dopo che le cellule tumorali circolanti (CTC) si sono diffuse nel flusso sanguigno periferico da siti tumorali primari o secondari1. È improbabile che i tumori primari causino la morte, ma le cellule metastatiche alla fine rappresentano il 90% di tutti i decessi, mentre lo 0,01% porta a metastasi e la maggior parte delle CTC muore nel flusso sanguigno2. A causa di una mutazione, i tumori primari possono avere informazioni genomiche diverse rispetto alle CTC metastatiche. Gli oncologi hanno confrontato le CTC e i tumori primari e hanno scoperto che le CTC erano più informative dei tumori primari. Le CTC furono scoperte circa mezzo secolo fa, ma la loro importanza nella biologia del cancro è diventata evidente solo di recente. Questo ritardo è principalmente attribuito alla difficoltà nell'isolare le CTC (che si verificano con una velocità di circa 1–100 in circa 1.000–5.000 leucociti nel sangue dei pazienti)3,4,5.

Esiste una grande motivazione per una tecnica di isolamento che consenta una separazione rapida ed efficiente delle CTC6. Le strategie diagnostiche comuni per i tumori primari dipendono dall'analisi dei sintomi clinici e dalle tecniche di imaging. Questi metodi possono essere utilizzati quando il tumore ha raggiunto una dimensione definita e non possono essere utilizzati per rilevare l'esistenza del tumore nelle sue fasi iniziali7,8. Poiché le cellule tumorali derivate da tumori solidi primari sono più grandi delle cellule del sangue, i ricercatori hanno cambiato il loro approccio passando dalle tecnologie basate sull’affinità alla separazione basata sulle dimensioni. Grazie a questo cambiamento, possono identificare più facilmente i pazienti affetti da cancro nelle fasi iniziali9. I metodi microfluidici sono stati evidenziati come strumenti efficienti e potenti per la focalizzazione delle cellule ad alto rendimento in base alle dimensioni10,11. Le separazioni microfluidiche sono classificate in due categorie a seconda del consumo energetico. I metodi passivi utilizzano principalmente forze idrodinamiche, mentre i metodi attivi richiedono forze esterne o un controller per separare le cellule12. I metodi attivi forniscono una separazione più precisa ma hanno componenti costosi e complessi e una produttività inferiore; è necessario più tempo affinché le forze esterne agiscano sulle particelle e superino le forze idrodinamiche13,14.

A differenza dei metodi microfluidici convenzionali, dove l'inerzia è trascurabile a causa di un numero di Reynolds molto basso (Re ≪ 1), la microfluidica inerziale rientra nell'intervallo di numeri di Reynolds moderati (1 < Re < 100). In questo intervallo, l'inerzia e la viscosità del fluido sono finite e producono effetti interessanti, tra cui (i) migrazione inerziale e (ii) flusso secondario15,16. La microfluidica inerziale nei modelli rettilinei, a serpentina e soprattutto a spirale è uno dei metodi più interessanti di separazione basata sulle dimensioni. Grazie alla sua elevata produttività, semplicità e costi inferiori, la microfluidica inerziale è un candidato emergente in un'ampia gamma di applicazioni biomediche17,18. Seo et al. hanno eseguito per la prima volta la separazione delle particelle utilizzando un microcanale a spirale nel 2006. Poi nel 2008 Papautsky et al. ha utilizzato questo metodo per separare particelle da 1,9 um da particelle da 7,32 um19. Nel 2009, Dicarlo et al. ha dimostrato che questa separazione è dovuta all'equilibrio tra le forze di portanza e di resistenza in un microcanale a spirale curvilinea20. Dal 2010 sono stati compiuti molti sforzi per aumentare l’efficienza e la produttività di questi metodi utilizzando piattaforme semplici e a basso costo21,22.