Dispositivo microfluidico stampato 3D progettato per personalizzare il trattamento del cancro

Testare le terapie per il cancro è un sacco di prove ed errori al momento, e i pazienti sono spesso soggetti a più terapie scomode e che richiedono molto tempo prima di trovarne uno che funzioni. Sono stati fatti degli sviluppi, tra cui la crescita di tumori artificiali per testare farmaci su specifici tipi di cancro, ma questi tumori possono richiedere settimane per crescere e non tengono conto della composizione biologica individuale dei pazienti. Ora, tuttavia, i ricercatori del MIT e della Draper University hanno escogitato una nuova opzione: un dispositivo microfluidico stampato in 3D che simula i trattamenti del cancro sui tessuti cancerosi sottoposti a biopsia.

Il dispositivo è un chip leggermente più grande di un quarto che può essere stampato in 3D in circa un’ora. Ha tre camini cilindrici che sporgono dalla superficie, che sono porte che immettono e drenano i fluidi e rimuovono le bolle d’aria indesiderate. I frammenti di tumore sottoposti a biopsia sono posti in una camera collegata a una rete di fluidi che trasportano al tessuto. Questi fluidi potrebbero contenere cose come agenti immunoterapici o cellule immunitarie. I medici possono quindi utilizzare le tecniche di imaging per vedere come il tessuto risponde ai trattamenti.

I ricercatori hanno utilizzato un nuovo tipo di resina biocompatibile, tradizionalmente utilizzata per le applicazioni dentali, in grado di supportare la sopravvivenza a lungo termine dei tessuti sottoposti a biopsia. Ciò è in contrasto con altri dispositivi di prova di sostanze antifluidiche stampate in 3D, che contengono sostanze chimiche nella resina che uccidono rapidamente le cellule. Immagini di microscopia a fluorescenza hanno mostrato che il nuovo dispositivo, chiamato piattaforma di analisi del tumore o TAP, teneva in vita più del 90% del tessuto per almeno 72 ore e potenzialmente molto più a lungo.

Il TAP è economico e facile da fabbricare, quindi potrebbe essere rapidamente implementato in contesti clinici, secondo i ricercatori. Anche i dispositivi sono adattabili: i medici possono stampare in 3D un dispositivo multiplex in grado di supportare più campioni tumorali in parallelo, in modo che le interazioni tra frammenti tumorali e diversi farmaci possano essere modellate contemporaneamente per un singolo paziente.

“Le persone in qualsiasi parte del mondo potrebbero stampare il nostro design. È possibile immaginare un futuro in cui il medico disporrà di una stampante 3D e potrà stampare i dispositivi in ​​base alle esigenze “, ha dichiarato Luis Fernando Velásquez-García, ricercatore presso i laboratori Microsystems Technology. “Se qualcuno ha il cancro, puoi prendere un po ‘di tessuto nel nostro dispositivo e mantenere vivo il tumore, eseguire più test in parallelo e capire cosa potrebbe funzionare meglio con il trucco biologico del paziente. E poi attuare quel trattamento nel paziente. “

Una potenziale applicazione sta testando l’immunoterapia, un nuovo metodo di trattamento che utilizza i farmaci per “rivoltare” il sistema immunitario di un paziente per aiutarlo a combattere il cancro.

“I trattamenti di immunoterapia sono stati specificamente sviluppati per colpire i marcatori molecolari trovati sulla superficie delle cellule tumorali”, ha detto la ricercatrice Ashley Beckwith. “Questo aiuta a garantire che il trattamento sferri un attacco diretto contro il cancro limitando nel contempo gli impatti negativi sui tessuti sani. Tuttavia, il cancro di ogni individuo esprime una gamma unica di molecole di superficie – in quanto tale, può essere difficile prevedere chi risponderà a quale trattamento. Il nostro dispositivo utilizza il tessuto reale della persona, quindi è perfetto per l’immunoterapia. “

La ricerca è stata pubblicata in un documento dal titolo ” Piattaforma microfluidica monolitica, stampata in 3D per la ricapitolazione di microambienti tumorali dinamici. “

“Una sfida chiave nella ricerca sul cancro è stata lo sviluppo di microambienti tumorali che simulano i meccanismi di progressione del cancro e gli effetti uccisi dal tumore di nuove terapie”, ha detto Jeffrey T. Borenstein, che guida il programma di immuno-oncologia a Draper. “Grazie a questa collaborazione con Luis e MTL, siamo in grado di beneficiare della loro grande esperienza nelle tecnologie di produzione additiva e nella scienza dei materiali per cicli di progettazione estremamente rapidi nella costruzione e nel collaudo di questi sistemi”.

I dispositivi microfluidici sono in genere prodotti tramite micromolding con PDMS. La tecnica non era adatta, tuttavia, per la produzione di un dispositivo con caratteristiche tridimensionali come i canali del fluido, così i ricercatori si sono affidati alla stampa 3D, che ha permesso loro di creare il dispositivo in un unico pezzo. Hanno sperimentato diverse resine, ma alla fine si sono basate su Pro3dure GR-10, che viene spesso utilizzato per creare paradenti. La resina è trasparente quasi quanto il vetro, può essere stampata ad altissima risoluzione e presenta pochissimi difetti superficiali e non danneggia le cellule.

“Quando stampi alcuni di questi materiali in resina, emettono sostanze chimiche che pasticciano con le cellule e le uccidono. Ma questo non lo fa “, ha detto Velasquez-Garcia. “Per quanto ne so, non c’è altro materiale stampabile che si avvicini a questo grado di inerzia. È come se il materiale non fosse lì. “

Il dispositivo presenta anche una “trappola per le bolle” e una “trappola del tumore”. I fluidi che fluiscono in un dispositivo come questo creano bolle che possono interrompere l’esperimento o scoppiare e rilasciare aria che distrugge il tessuto tumorale. Così i ricercatori hanno creato una trappola a bolle, un camino che sale dal canale del fluido in una porta filettata attraverso la quale l’aria fuoriesce. Il fluido viene iniettato in una porta di ingresso adiacente alla trappola, quindi scorre oltre la trappola, dove eventuali bolle nel fluido salgono attraverso la porta filettata e fuori dal dispositivo. Il fluido viene quindi fatto ruotare attorno a una piccola inversione a U nella camera del tumore, dove scorre attraverso e attorno al frammento del tumore.

La trappola del tumore si trova all’intersezione del canale di ingresso più grande e di quattro canali di ingresso più piccoli. Frammenti di tumore, inferiori a un millimetro, vengono iniettati nel canale di ingresso attraverso la trappola a bolle. Mentre il fluido scorre attraverso il dispositivo, il tumore viene guidato a valle della trappola del tumore, dove viene catturato. Il fluido continua a viaggiare lungo i canali di uscita, che sono troppo piccoli per adattarsi al tumore, e defluisce dal dispositivo. Un flusso continuo di fluidi mantiene il frammento del tumore in atto e reintegra costantemente i nutrienti per le cellule.

“Dato che il nostro dispositivo è stampato in 3-D, siamo stati in grado di realizzare le geometrie che volevamo, nei materiali che volevamo, per ottenere le prestazioni che volevamo, invece di compromettere tra ciò che è stato progettato e ciò che potrebbe essere implementato – che di solito accade quando usando la microfabbricazione standard “, ha detto Velásquez-García.

Il prossimo passo è testare come i frammenti del tumore rispondono alle terapie.

“Il PDMS tradizionale non può creare le strutture necessarie per questo ambiente in vitro che può mantenere in vita frammenti tumorali per un considerevole periodo di tempo”, ha affermato Roger Howe, professore di ingegneria elettrica presso la Stanford University , che non è stato coinvolto nel ricerca. “Il fatto che ora sia possibile realizzare camere fluidiche molto complesse che consentano ambienti più realistici per testare rapidamente vari farmaci sui tumori e potenzialmente in contesti clinici, è un contributo importante”.

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