Validation of a microfluidic device for the isolation and enumeration of circulating tumor cells and cancer progression monitoring in metastatic breast cancer

Abstract

O cancro é uma das causas líderes de morbimortalidade mundialmente, estimando-se um aumento no número de diagnósticos a cada ano. O cancro da mama é o segundo tipo de cancro com maior incidência, e uma das principais causas de mortalidade em mulheres. A causa subjacente a esta morbimortalidade são as metástases. De modo a aprimorar a precisão da biomedicina para melhores diagnósticos clínicos e decisões terapêuticas, é necessário desenvolver novas estratégias baseadas na deteção de biomarcadores tumorais. As células tutorais circulantes (CTCs) foram observadas pela primeira vez no século XIX, surgindo depois a hipótese de que estas seriam responsáveis pela formação de metástases, pois escapam do tumor primário disseminando-se pela corrente sanguínea, potencialmente invadindo outros órgãos. Consequentemente, o estudo das CTCs contidas nos fluidos corporais ganhou importância na investigação oncológica, já que estas fornecem informação importante para a gestão do tratamento clínico de doentes oncológicos, representando, em tempo real, o estado do tumor (CTCs estão em circulação de 1 a 2 horas). Adicionalmente, permite a obtenção de amostras de pacientes de forma fácil e pouco invasiva, a biopsia líquida. O objetivo deste projeto foi desenvolver e validar um dispositivo de microfluídica projetado para processar e analisar amostras de fluidos corporais recorrendo à biopsia líquida, ou seja, providenciar dispositivos de microfluídica, eficientes e pouco dispendiosos, capazes de isolar e caracterizar células tumorais circulantes, relevantes para a deteção precoce do cancro, prognósticos precisos e tratamento personalizado. A validação do dispositivo foi feita através da caracterização fenotípica de CTCs isoladas e posterior comparação com o único dispositivo de referência que atualmente dispõe de aprovação pela FDA, CellSearch®. É esperado que os resultados desta investigação assistam na monitorização de doenças metastáticas, estratificação dos pacientes e prognóstico preciso, contribuindo para uma terapia personalizada e precisa. Foram usadas técnicas relacionadas com diferentes áreas científicas, incluindo microfabricação, cultura celular, imunocitoquímica e microscopia de fluorescência. O trabalho foi desenvolvido nas instalações de última geração do INL e em colaboração com o Hospital de Santa Maria, Lisboa, no qual foram obtidas amostras de pacientes de cancro da mama metastático.

Cancer is a leading cause of morbidity and mortality worldwide, and it is estimated that the number of diagnoses will grow every year. Breast cancer is the second most common cancer in the world and one of the leading causes of cancer-related mortality in women. The underlying cause of morbidity and cancer-related mortality is cancer metastasis. In order to foster biomedicine accuracy for better clinical diagnostic and therapeutic decisions, it is necessary to develop new strategies for biomarker detection. Circulating tumour cells (CTCs) were first observed in the 19th century, later followed by the hypothesis that these cells could be responsible for the formation of metastasis. Indeed, CTCs are shed from the primary and metastatic tumours and disseminate through the bloodstream, potentially invading other organs. Thus, the study of CTCs in peripheral blood gained great importance in cancer research, since they might provide valuable information for the clinical management of cancer patients, representing a real-time snapshot of the tumour burden (CTCs half-life in circulation is 1 to 2 hours). Additionally, the study of CTCs offers unique opportunities for low invasive sampling in cancer patients, constituting the so-called liquid biopsy. The aim of this project was to demonstrate the validity of a microfluidic system designed for the preparation of a body fluid sample towards liquid biopsy analysis, that is, to isolate and characterize circulating tumor cells, overall relevant for early cancer detection at the point-of-care, accurate prognosis and personalized treatment. The system validation was executed by phenotypical characterization of isolated CTCs and comparison of the system performance against the gold standard and FDA-approved system CellSearch®. We expected that the results of this research would assist in the monitoring of metastatic disease, patient stratification and accurate prognosis, as well as contribute to oriented therapeutic selection. Techniques related to different scientific fields from biochemistry to microengineering were used, including microfabrication, cell culture, and immunocytochemistry and fluorescence microscopy. In addition, the work was developed using state-of-the-art facilities at INL and in close collaboration with Hospital de Santa Maria, in Lisbon, where samples from metastatic breast cancer patients were obtained.