Todos os dias, cerca de 100 bilhões de novas células são criadas dentro do corpo humano. Essas células juntam-se a trilhões de células mais velhas para formar os tecidos e órgãos dos quais dependemos para permanecer vivos. Às vezes, quando uma célula é criada, uma mutação ocorre dentro de seu DNA, transformar a célula em algo defeituoso e potencialmente perigoso para o ambiente interno do corpo. Usualmente, uma célula reconhecerá seus próprios defeitos e se extinguirá rapidamente.

Mas às vezes, em vez de se auto-eliminar, a célula mutada se replica, formando um tumor que poderia se fragmentar, metastatizar (ou seja, migrar), e invadir outras partes do corpo - muitas vezes através da corrente sanguínea. Felizmente, Professor de Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon University Philip LeDuc, em colaboração com Ph.D. estudante James Li Wan e Dra. Carola Neumann, um pesquisador de câncer de mama da Universidade de Pittsburgh, desenvolveu um modelo orientado para o paciente que os cientistas podem usar para entender melhor - e, eventualmente, parar - a migração das células cancerígenas.

De acordo com LeDuc, este projeto teve início devido ao crescente interesse que os pesquisadores têm demonstrado na relação entre as ciências físicas e o câncer. Uma vez que os tumores são na verdade fisica massas, ambos bioquímicos e meios físicos podem afetar células cancerosas e tumores. Depois de considerar a conexão entre esses dois tópicos, LeDuc, Neumann, e Wan voltou sua atenção para metástase e análise de células cancerosas. Por meio de sua colaboração, eles foram capazes de desenvolver uma forma mais precisa e relevante de estudar as células cancerosas.

Embora a análise de células tradicionalmente ocorra em uma placa de Petri de plástico, a equipe de pesquisa criou um modelo 3-D que reflete com mais precisão as condições fisiológicas de um organismo. Com este modelo, os cientistas podem descobrir e analisar as complexidades das células cancerosas em um ambiente que mais imita o corpo humano.

"A biologia tem sido estudada colocando células dentro de placas de Petri por décadas, "diz LeDuc." Mas a questão é, você pode fazer sistemas que são mais relevantes fisiologicamente? Estamos usando abordagens de microfluídica e microfabricação para criar sistemas tridimensionais porque as células existem em tecidos tridimensionais - elas não residem naturalmente em uma placa de petri 2-D. "

Tipicamente, sistemas microfluídicos - sistemas que transferem líquidos em nível microscópico - são feitos de plástico, mas desde LeDuc, Neumann, e Wan estavam procurando por um sistema mais relevante fisiologicamente, eles criaram seu sistema microfluídico usando colágeno, a proteína mais predominante no corpo humano.

"Como disse Phil, tradicionalmente cultivamos células em plástico e trabalhamos com elas em placas de Petri, "diz Neumann, professor associado de farmacologia e biologia química na Universidade de Pittsburgh. "Mas em nenhum lugar do seu corpo você tem plástico. Ter um sistema 3-D que imita as condições fisiológicas é uma maneira muito melhor de obter resultados mais rápidos e relevantes."

Cada dispositivo microfluídico criado pela equipe contém dois componentes principais:um conjunto de canais paralelos que imitam os vasos sanguíneos tradicionais e uma concentração de células cancerosas que estão incorporadas ao colágeno.

Depois que um dispositivo é construído, os canais são injetados com um estimulante químico que se difunde no colágeno circundante. À medida que as moléculas do estimulante se afastam dos canais, um gradiente biomolecular é criado. Esse gradiente faz com que as células cancerosas incorporadas se movam - geralmente de volta aos canais simulados dos vasos sanguíneos.

Em um paciente, se as células cancerosas entrarem na corrente sanguínea, eles metastatizam e podem formar tumores cancerígenos secundários. De acordo com LeDuc e Neumann, a maioria dos pacientes com tumores sólidos geralmente morre de metástase - não do tumor primário em si - razão pela qual os cientistas devem descobrir como impedir que a metástase ocorra em primeiro lugar.

As células cancerosas em metástase adquiriram a capacidade de se mover do tumor primário para o sistema sanguíneo ou linfático - um processo que exige que as células cancerosas migrem e remodelem o tecido tumoral para invadir outras partes do corpo. Então, a fim de parar a metástase, os cientistas precisam entender quais fatores apoiam a mobilidade das células cancerosas e a remodelação dos tecidos. É por isso que o sistema 3-D desenvolvido por LeDuc, Neumann, e Wan é tão importante.

"O câncer é uma doença extremamente heterogênea, o que significa que não apenas as células cancerosas diferem de paciente para paciente, eles variam mesmo dentro de um tumor, "diz Neumann." O mesmo é verdade para metástases. Dependendo de sua localização no corpo, cada tumor secundário adicional também é diferente. "

Para determinar o melhor tratamento para cada paciente, LeDuc, Neumann, e Wan acreditam que os pesquisadores eventualmente serão capazes de usar seu sistema para examinar tumores de pacientes com câncer individuais. Em última análise, esse processo ajudaria a tornar o tratamento do câncer mais personalizado e eficaz.

"Nosso modelo pode servir potencialmente como um modelo específico do paciente, "diz Wan, que conduziu os experimentos de laboratório e analisou os resultados para este estudo. "E isso é muito importante porque o câncer é diferente em cada paciente, o que torna difícil a cura. "

Idealmente, o sistema 3-D desenvolvido por LeDuc, Neumann, e Wan dará aos pesquisadores e cientistas as ferramentas de que precisam para impedir a metástase de células cancerosas em todos os pacientes.

"No fim do dia, o tumor que está sentado lá e não fazendo nada - tudo bem, "diz LeDuc." Mas assim que se torna metastático, tudo se solta. Esperamos que nosso sistema ajude a interromper a metástase e melhorar o resultado do paciente a longo prazo. "

O artigo de pesquisa da equipe, intitulado "Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling, "foi publicado em Relatórios Científicos . Além de Philip LeDuc, Carola Neumann, e James Li Wan, Ph.D. em engenharia mecânica estudante Jonelle Yu, Professor de engenharia mecânica Burak Ozdoganlar (Carnegie Mellon University), e o pós-doutorado Dr. John Skoko (University of Pittsburgh) contribuíram para este estudo.