Os pesquisadores do MIT imprimiram em 3D um novo dispositivo microfluídico que simula tratamentos de câncer em tecido tumoral biopsiado, assim, os médicos podem examinar melhor como os pacientes individuais responderão a diferentes terapêuticas - antes de administrar uma única dose.

Testar tratamentos de câncer hoje depende principalmente de tentativa e erro; os pacientes podem ser submetidos a várias terapias demoradas e difíceis de tolerar em busca de uma que funcione. Inovações recentes no desenvolvimento farmacêutico envolvem o crescimento de tumores artificiais para testar drogas em tipos específicos de câncer. Mas esses modelos levam semanas para crescer e não levam em consideração a composição biológica de um paciente individual, o que pode afetar a eficácia do tratamento.

O dispositivo dos pesquisadores, que pode ser impresso em cerca de uma hora, é um chip ligeiramente maior do que um quarto, com três "chaminés" cilíndricas subindo da superfície. Estas são portas usadas para entrada e drenagem de fluidos, bem como remover bolhas de ar indesejadas. Fragmentos de tumor de biópsia são colocados em uma câmara conectada a uma rede de canais que distribuem fluidos - contendo, por exemplo, agentes de imunoterapia ou células imunológicas - para o tecido. Os médicos podem então usar várias técnicas de imagem para ver como o tecido responde aos medicamentos.

Uma característica importante foi o uso de uma nova resina biocompatível - tradicionalmente usada para aplicações odontológicas - que pode suportar a sobrevivência a longo prazo do tecido biopsiado. Embora os microfluídicos impressos em 3D anteriores tenham sido promissores para testes de drogas, produtos químicos em sua resina geralmente matam as células rapidamente. Os pesquisadores capturaram imagens de microscopia de fluorescência que mostram seu dispositivo, chamada de plataforma de análise de tumor (TAP), manteve mais de 90 por cento do tecido tumoral vivo por pelo menos 72 horas, e potencialmente muito mais tempo.

Como o dispositivo impresso 3-D é fácil e barato de fabricar, poderia ser rapidamente implementado em ambientes clínicos, dizem os pesquisadores. Os médicos poderiam, por exemplo, imprimir um dispositivo multiplexado que poderia suportar várias amostras de tumor em paralelo, para permitir a modelagem das interações entre fragmentos de tumor e muitos medicamentos diferentes, simultaneamente, para um único paciente.

"Pessoas em qualquer lugar do mundo podem imprimir nosso design. Você pode imaginar um futuro em que seu médico terá uma impressora 3-D e poderá imprimir os dispositivos conforme necessário, "diz Luis Fernando Velásquez-García, pesquisador dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas e co-autor de um artigo que descreve o dispositivo, que aparece na edição de dezembro do Journal of Microelectromechanical Systems. “Se alguém tem câncer, você pode pegar um pouco de lenço em nosso dispositivo, e manter o tumor vivo, para executar vários testes em paralelo e descobrir o que funcionaria melhor com a composição biológica do paciente. E então implemente esse tratamento no paciente. "

Uma aplicação promissora é o teste de imunoterapia, um novo método de tratamento que usa certos medicamentos para estimular o sistema imunológico do paciente e ajudá-lo a combater o câncer. (O Prêmio Nobel deste ano em fisiologia ou medicina foi concedido a dois pesquisadores de imunoterapia que desenvolveram drogas que bloqueiam certas proteínas de impedir o sistema imunológico de atacar as células cancerosas.) O dispositivo dos pesquisadores pode ajudar os médicos a identificar melhor os tratamentos para os quais um indivíduo provavelmente responder.

"Os tratamentos de imunoterapia foram desenvolvidos especificamente para atingir marcadores moleculares encontrados na superfície das células cancerosas. Isso ajuda a garantir que o tratamento provoque um ataque direto ao câncer, ao mesmo tempo que limita os impactos negativos no tecido saudável. No entanto, o câncer de cada indivíduo expressa um conjunto único de moléculas de superfície - como tal, pode ser difícil prever quem responderá a qual tratamento. Nosso dispositivo usa o tecido real da pessoa, então é um ajuste perfeito para imunoterapia, "diz o primeiro autor Ashley Beckwith SM '18, pesquisador graduado no grupo de pesquisa de Velásquez-García.

O co-autor do artigo é Jeffrey T. Borenstein, pesquisador da Draper.

Células de suporte

Dispositivos de microfluídica são tradicionalmente fabricados por micromoldagem, usando um material semelhante a borracha chamado polidimetilsiloxano (PDMS). Esta técnica, Contudo, não era adequado para criar a rede tridimensional de recursos - como canais de fluido cuidadosamente dimensionados - que imitam tratamentos de câncer em células vivas. Em vez de, os pesquisadores se voltaram para a impressão 3-D para criar um dispositivo de recursos finos "monoliticamente" - o que significa imprimir um objeto de uma só vez, sem a necessidade de montar peças separadas.

O coração do dispositivo é sua resina. Depois de experimentar várias resinas ao longo de vários meses, os pesquisadores finalmente chegaram ao Pro3dure GR-10, que é usado principalmente para fazer protetores bucais que protegem contra o ranger de dentes. O material é quase tão transparente quanto o vidro, quase não tem defeitos de superfície, e pode ser impresso em alta resolução. E, importante, como os pesquisadores determinaram, não afeta negativamente a sobrevivência celular.

A equipe submeteu a resina a um teste de citotoxicidade de 96 horas, um ensaio que expõe as células ao material impresso e mede o quão tóxico esse material é para as células. Após as 96 horas, as células do material ainda funcionavam. "Quando você imprime alguns desses outros materiais de resina, eles emitem substâncias químicas que mexem com as células e as matam. Mas isso não faz isso, "Velasquez-Garcia diz." Até onde sei, não há outro material imprimível que chegue perto desse grau de inércia. É como se o material não existisse. "

Armadilhas

Duas outras inovações importantes no dispositivo são a "armadilha de bolhas" e uma "armadilha de tumor". Fluir fluidos em tal dispositivo cria bolhas que podem interromper o experimento ou estourar, liberando ar que destrói o tecido tumoral.

Para consertar isso, os pesquisadores criaram uma armadilha de bolhas, uma forte "chaminé" subindo do canal de fluido para uma porta roscada através da qual o ar escapa. Fluido - incluindo vários meios de comunicação, marcadores fluorescentes, ou linfócitos - é injetado em uma porta de entrada adjacente à armadilha. O fluido entra pela porta de entrada e flui pela armadilha, onde quaisquer bolhas no fluido sobem através da porta roscada e para fora do dispositivo. O fluido é então encaminhado em torno de uma pequena curva em U para a câmara do tumor, onde flui através e ao redor do fragmento do tumor.

Esta câmara de captura de tumor fica na interseção do canal de entrada maior e quatro canais de saída menores. Fragmentos de tumor, menos de 1 milímetro de diâmetro, são injetados no canal de entrada através da armadilha de bolhas, o que ajuda a remover bolhas introduzidas durante o carregamento. Conforme o fluido flui através do dispositivo a partir da porta de entrada, o tumor é guiado a jusante para a armadilha do tumor, onde o fragmento é pego. O fluido continua viajando ao longo dos canais de saída, que são muito pequenos para o tumor caber dentro, e drena para fora do dispositivo. Um fluxo contínuo de fluidos mantém o fragmento do tumor no lugar e repõe constantemente os nutrientes para as células.

"Como nosso dispositivo é impresso em 3D, fomos capazes de fazer as geometrias que queríamos, nos materiais que queríamos, para alcançar o desempenho que desejamos, em vez de comprometer entre o que foi projetado e o que poderia ser implementado - o que normalmente acontece ao usar microfabricação padrão, "Velásquez-García diz. Ele acrescenta que a impressão 3-D pode em breve se tornar a principal técnica de fabricação de microfluídicos e outros microssistemas que requerem projetos complexos.

Neste experimento, os pesquisadores mostraram que podiam manter um fragmento de tumor vivo e monitorar a viabilidade do tecido em tempo real com marcadores fluorescentes que fazem o tecido brilhar. Próximo, os pesquisadores pretendem testar como os fragmentos de tumor respondem a terapias reais.

"O PDMS tradicional não pode fazer as estruturas de que você precisa para este ambiente in vitro que pode manter fragmentos de tumor vivos por um período de tempo considerável, "diz Roger Howe, professor de engenharia elétrica na Universidade de Stanford, que não participou da pesquisa. "Que agora você pode fazer câmaras fluídicas muito complexas que permitirão ambientes mais realistas para testar várias drogas em tumores rapidamente, e potencialmente em ambientes clínicos, é uma grande contribuição. "

Howe também elogiou os pesquisadores por fazerem o trabalho braçal para encontrar a resina e o design certos para outros construírem. "Eles deveriam receber o crédito por divulgar essas informações ... porque [anteriormente] não havia o conhecimento se você tinha os materiais ou a tecnologia de impressão para tornar isso possível, "diz ele. Agora" é uma tecnologia democratizada. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.