Cell-specific heteroclinic orbits govern interaction dynamics in inertial microfluidics for circulating tumour cell separation
Questo studio dimostra che l'incorporazione di orbite eteroclina specifiche per la cellula e dell'eterogeneità meccanica, piuttosto che affidarsi esclusivamente alla separazione basata sulle dimensioni, è fondamentale per ottimizzare i dispositivi microfluidici inerziali al fine di minimizzare il carryover di globuli bianchi durante l'isolamento delle cellule tumorali circolanti.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Ogni anno, il cancro toglie la vita a milioni di persone, spesso perché viene scoperto solo dopo la comparsa dei sintomi e quando la malattia è già avanzata. Per intercettare queste malattie precocemente, i medici cercano le cellule tumorali circolanti: minuscoli frammenti di un tumore che si staccano e viaggiano attraverso il flusso sanguigno. Trovare queste rare cellule in un campione di sangue potrebbe fornire un avvertimento cruciale, ma il compito è incredibilmente difficile. Il sangue è un fiume affollato di globuli bianchi, e le cellule tumorali sono scarse, apparendo spesso a concentrazioni di soli cinque o cento cellule per ogni millilitro. Per separarle, gli scienziati utilizzano dispositivi microfluidici, ovvero minuscoli canali che guidano le cellule utilizzando la fisica del flusso dei fluidi. Questi dispositivi si basano su un principio semplice: le cellule più grandi tendono a muoversi diversamente da quelle più piccole, permettendo loro di essere smistate in flussi differenti. Tuttavia, questo metodo non è perfetto. Anche con una progettazione accurata, globuli bianchi indesiderati spesso scivolano nel flusso destinato alle cellule tumorali, contaminando il campione e rendendo l'analisi più difficile.
I ricercatori hanno a lungo ipotizzato che la chiave per una migliore separazione risiedesse nella differenza di dimensione tra le cellule. Credevano che, se fossero riusciti semplicemente a far muovere le cellule tumorali più velocemente verso il flusso bersaglio rispetto ai globuli bianchi, il lavoro sarebbe stato fatto. Ma un nuovo studio suggerisce che questa visione è incompleta. Simulando il movimento delle cellule in un microcanale rettilineo, gli scienziati hanno scoperto che la "morbidezza" fisica delle cellule gioca un ruolo enorme nel modo in cui interagiscono. Quando una cellula tumorale e un globulo bianco sono vicini l'uno all'altra, non si limitano a passare l'uno accanto all'altro indipendentemente; esse si influenzano a vicenda. Lo studio ha rivelato che il modo in cui queste cellule si deformano durante il flusso cambia i percorsi che intraprendono, e questa interazione può trascinare globuli bianchi indesiderati nel flusso sbagliato, rovinando la separazione.
I ricercatori hanno utilizzato una potente simulazione al computer per osservare come si comportano queste cellule in un canale alto solo cinquanta micrometri e largo centocinquanta micrometri. Hanno modellato le cellule come sfere flessibili, simili a palloncini riempiti di fluido, proprio come si comportano le cellule reali. Nelle loro simulazioni, hanno inserito una cellula tumorale e otto globuli bianchi nel canale e hanno osservato il loro viaggio a valle. Hanno testato diversi livelli di rigidità, o deformabilità, per le cellule tumorali, spaziando da molto morbide a piuttosto rigide, mantenendo i globuli bianchi relativamente rigidi. L'obiettivo era vedere se la flessibilità della cellula tumorale cambiasse il modo in cui i globuli bianchi si muovevano.
I risultati hanno mostrato che la presenza di una cellula tumorale alterava significativamente il percorso dei globuli bianchi. Quando la cellula tumorale era molto morbida, i globuli bianchi rimanevano per lo più sui propri percorsi. Ma quando la cellula tumorale era più rigida, i globuli bianchi avevano maggiori probabilità di essere deviati dal loro corso. I ricercatori hanno osservato due tipi distinti di interazioni. In un'interazione "breve", le cellule passavano l'una accanto all'altra rapidamente, causando una breve scossa che poteva spingere un globulo bianco leggermente verso il flusso bersaglio o riportarlo verso la parete. Questi incontri rapidi erano frequenti ma non causavano un cambiamento maggiore nel flusso complessivo.
Tuttavia, un diverso scenario emergeva quando la cellula tumorale e un globulo bianco avevano una rigidità simile. In questi casi, le due cellule si avvicinano e rimangono vicine per molto tempo, muovendosi insieme quasi alla stessa velocità. I ricercatori hanno chiamato questo un'interazione "lunga". Durante questi incontri prolungati, il globulo bianco si allontanava dal suo percorso abituale e viaggiava accanto alla cellula tumorale, finendo spesso nel flusso bersaglio dove non avrebbe dovuto trovarsi. Ciò accadeva perché le due cellule seguivano percorsi molto simili attraverso il canale, permettendo loro di rimanere l'una nella scia dell'altra per una lunga distanza.
Lo studio ha rivelato che la distanza tra i percorsi naturali dei due tipi di cellule è il fattore decisivo. Quando la cellula tumorale era molto morbida, il suo percorso naturale era lontano dal percorso dei globuli bianchi più rigidi, quindi raramente rimanevano abbastanza vicini da interagire a lungo. Ma quando la cellula tumorale era più rigida, il suo percorso si avvicinava al percorso dei globuli bianchi. Questa vicinanza rendeva molto più probabile che le due cellule rimanessero bloccate in un'interazione lunga, trascinando il globulo bianco nel flusso bersaglio. I ricercatori hanno scoperto che più la cellula tumorale era rigida, più era probabile che trascinasse con sé un globulo bianco.
Questa scoperta mette in discussione l'idea che la dimensione sia l'unica cosa che conta in questi dispositivi. I ricercatori suggeriscono che le proprietà meccaniche delle cellule, specificamente quanto facilmente possono essere schiacciate, sono altrettanto importanti della loro dimensione. Nel mondo reale, le cellule tumorali non sono tutte uguali; alcune sono molto morbide, mentre altre, specialmente quelle provenienti da tumori allo stadio iniziale, possono essere piuttosto rigide. Se un dispositivo è progettato solo per separare in base alla dimensione, potrebbe fallire nel catturare le cellule tumorali rigide dello stadio iniziale perché interagiranno troppo con i globuli bianchi e andranno perse nel mix.
Il team ha concluso che, per costruire dispositivi migliori, gli ingegneri devono pensare a qualcosa di più della semplice dimensione delle cellule. Devono considerare come la rigidità delle cellule influenzi i loro percorsi e come tali percorsi portino le cellule ad avvicinarsi. Comprendendo queste interazioni, i progettisti potrebbero essere in grado di regolare il flusso o la forma del canale per mantenere i percorsi delle cellule tumorali e dei globuli bianchi abbastanza distanti da evitare che rimangano bloccati insieme. Ciò potrebbe portare a campioni più puliti e a una migliore possibilità di rilevare il cancro nelle sue fasi iniziali e più trattabili. Il lavoro non offre una soluzione definitiva, ma fornisce una mappa chiara di un problema nascosto che è stato trascurato, mostrando che il modo in cui le cellule si muovono insieme è critico tanto quanto il modo in cui si muovono da sole.
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