Las células cancerosas suelen desprenderse de sus ubicaciones originales y circular por el torrente sanguíneo, lo que les permite formar nuevos tumores en otras partes del cuerpo. Detectar estas células podría ofrecer a los médicos una nueva forma de predecir si los tumores de los pacientes harán metástasis, o de vigilar cómo responden al tratamiento, pero encontrar estas células extremadamente raras ha resultado difícil porque puede haber apenas de una a 10 en una muestra de 1 mililitro de sangre de un paciente.
Un equipo de ingenieros del MIT, la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad Carnegie Mellon está desarrollando una forma novedosa de aislar estas células: usar ondas sonoras para separarlas de las células sanguíneas.
Su nuevo dispositivo de clasificación celular es 20 veces más rápido que la versión original que presentaron por primera vez el año pasado, y se acerca a la velocidad necesaria para que resulte útil en el análisis de muestras de sangre de pacientes. Los investigadores también han demostrado que el dispositivo puede capturar con éxito células tumorales circulantes de muestras de pacientes, lo que podría facilitar numerosas aplicaciones clínicas, así como la investigación fundamental sobre cómo estas células escapan del sitio del tumor original.
Ming Dao, científico principal de investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; Subra Suresh, presidente de Carnegie Mellon y, en el MIT, profesor emérito de Ingeniería Vannevar Bush y exdecano de ingeniería; y Tony Jun Huang, profesor de Ciencia e Ingeniería Mecánicas en Penn State, son los autores sénior de un artículo que describe el dispositivo y que se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences durante la semana del 6 de abril.
El equipo de investigación también incluye al autor principal, Peng Li, investigador posdoctoral en Penn State; Zhangli Peng, exinvestigador posdoctoral del MIT que ahora es profesor adjunto en la Universidad de Notre Dame; y Joseph Drabick, profesor de Medicina en el Instituto Oncológico Hershey de Penn State, entre otros.
Separación celular delicada
La mayoría de las tecnologías existentes para clasificar células requieren marcarlas con sustancias químicas o exponerlas a fuerzas mecánicas intensas que pueden dañarlas. Para clasificar células mediante ondas sonoras, una alternativa más delicada, los investigadores construyeron dispositivos microfluídicos con dos transductores acústicos, que producen ondas sonoras, a ambos lados de un microcanal. Cuando las dos ondas se encuentran, se combinan para formar una onda estacionaria (una onda que permanece en una posición constante). Esta onda produce nodos de presión, o líneas de baja presión.
Como las ondas sonoras están inclinadas de modo que atraviesan el microcanal en ángulo, cada célula encuentra varios nodos de presión mientras fluye por el canal. Al encontrar cada nodo, las células son empujadas más hacia un lado del canal; la distancia que se desplazan depende de su tamaño y de otras propiedades, como la compresibilidad.
En el estudio anterior, los investigadores lograron separar células cancerosas de glóbulos rojos y blancos, pero el caudal de la muestra a través del dispositivo era de apenas 1 a 2 microlitros por minuto. A ese ritmo, se tardarían más de 50 horas en procesar una muestra típica de paciente de unos 6 mililitros.
La nueva versión del dispositivo tiene un caudal de trabajo aproximadamente 20 veces mayor, lo que le permite procesar una muestra de paciente en unas cinco horas.
Para lograrlo, los investigadores utilizaron modelos informáticos de las trayectorias celulares, confirmados mediante experimentos, para ajustar otras características del dispositivo, entre ellas el ángulo de inclinación —el ángulo con el que las ondas sonoras inciden en el canal— y la distancia a lo largo de la cual las células quedan expuestas a las ondas sonoras.
Detección de células raras
Los investigadores probaron el nuevo dispositivo acústico con muestras compuestas por una mezcla de células cancerosas y glóbulos blancos cultivados en el laboratorio. En estos estudios, lograron aislar al menos el 83 por ciento de las células cancerosas de muestras que contenían apenas una célula cancerosa por cada 100.000 glóbulos blancos.
El dispositivo también funcionó bien en pruebas con muestras de sangre de tres pacientes con cáncer de mama. De esas muestras, los investigadores aislaron una, ocho y 59 células tumorales, respectivamente; la primera muestra era de una paciente que respondía muy bien al tratamiento y, por tanto, tenía pocas células tumorales circulantes.
Sus resultados fueron similares a los de un dispositivo disponible comercialmente que puede clasificar células cancerosas; sin embargo, ese dispositivo las daña, de modo que no son viables para estudios posteriores, afirma Dao. En cambio, la técnica acústica es muy suave y no requiere marcar las células con microesferas magnéticas, anticuerpos ni otras moléculas, por lo que son ideales para análisis posteriores una vez aisladas.
«Con nuevas mejoras en el rendimiento de procesamiento celular, este trabajo podría ofrecer una nueva herramienta útil tanto para la investigación básica sobre el complejo tema de las células tumorales circulantes como para la evaluación clínica de distintos tipos de cáncer», afirma Suresh.
El éxito del nuevo sistema al clasificar muestras de pacientes representa un «avance significativo» respecto del dispositivo original del equipo, afirma Taher Saif, profesor de Ciencia e Ingeniería Mecánicas en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien no formó parte del equipo de investigación. «Ahora uno puede imaginar un producto que podría implementarse a partir del diseño que han ideado», afirma Saif.
Los investigadores trabajan ahora para mejorar aún más el caudal del dispositivo, así como para hacerlo más robusto y rentable.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autoría: Anne Trafton escribe para MIT News.
Imagen: El científico Paul Clarke observa en un monitor una imagen de células etiquetadas en el Instituto de Investigación del Cáncer, en Sutton. REUTERS/Stefan Wermuth
