An integrated liquid biopsy microfluidic device for the isolation, recovery, encapsulation and sorting of circulating cancer cells

Abstract

Nos últimos anos, a medicina personalizada tem florescido no campo da oncologia. Neste âmbito, surgiu o conceito de biopsia líquida, como alternativa aos métodos de diagnóstico convencionais, baseando-se na análise de biomarcadores tumorais presentes nos fluidos corporais, tais como as células tumorais circulantes (CTCs). A quantificação e caracterização destes biomarcadores provou ser clinicamente valiosa para previsão e monitorização de tumores e, para a designação de tratamentos apropriados. Adicionalmente, para avaliar a heterogeneidade tumoral, é fundamental realizar estudos sobre a população de células tumorais a um nível de célula individual. As tecnologias baseadas na microfluídica são altamente aplicadas para estes ensaios de deteção e para estudos individuais a nível celular, pois permitem a manipulação individual de células com elevada seletividade e especificidade, e proporcionam uma fácil automatização e capacidade de paralelização. Assim, com este projeto, pretendemos criar um sistema de microfluídica que integre o isolamento, recuperação, encapsulamento e separação de células tumorais. Para tal, utilizando o RUBYChipTM, foi concebido e optimizado um protocolo de recuperação de células de uma linha celular de cancro colorectal (SW480) em tampão fosfato salino (PBS) e sangue, atingindo um máximo de recuperação de 51.4% e 48.4%, respetivamente. Posteriormente, foi fabricado um dispositivo de microfluídica composto por um gerador de microgotas e uma área de separação, inicialmente testado com diferentes valores de velocidade de fluxo para avaliar os tamanhos médios das microgotas, obtendo tamanhos que variam entre 74 e 160 μm. Após a escolha de uma combinação adequada de velocidade de fluxo, foram efetuadas experiências de encapsulamento e separação, com diferentes valores de densidades celulares, obtendo eficiências de separação entre 33 - 40%. Uma vez selecionadas as melhores condições, foram realizadas algumas experiências preliminares, englobando o isolamento e recuperação das células, bem como o encapsulamento e separação das células recuperadas, para estabelecer a interface entre ambas as partes. Uma integração bem-sucedida destes módulos microfluidícos pode abrir caminho à realização de estudos detalhados da sua morfologia e composição molecular e fenotípica para obter um perfil detalhado das células tumorais e uma melhor compreensão do seu papel em cada paciente.

In recent years, personalised medicine has flourished in the oncology field. Within this scope, the concept of liquid biopsy has arisen as an alternative methodology of current diagnostic methods, focusing on the analysis of tumour biomarkers present in body fluids, such as circulating tumour cells (CTCs). The quantification and characterisation of these biomarkers proved to be clinically valuable for tumour prediction, monitoring and treatment designation. In addition, it is pivotal to perform studies of the tumour cell population at a single-CTC level to deepen the information about tumour heterogeneity. Microfluidic technologies have been widely applied for the manipulation and analysis of single-cells demonstrating high selectivity and specificity, while providing easy automation and parallelisation capabilities. In this context, within this project, we aim to create a microfluidic system that integrates the isolation, recovery, encapsulation, and sorting of CTCs. For this, using the RUBYChipTM, a recovery protocol for a colorectal cancer cell model (SW480) was designed and optimised in phosphate-buffered saline (PBS) and blood, achieving a maximum of 51.4% and 48.4%, respectively. Thereafter, a microfluidic device composed of a droplet generator and a passive sorting area was designed and fabricated. Different flow rates ratio values were used to assess the average droplet size and sorting efficiency of those devices, obtaining droplets with sizes ranging from 74 to 160 μm. After choosing a suitable flow rate combination, cell encapsulation and sorting experiments were conducted with distinct cell densities of colorectal cancer cell model (SW480), reaching sorting efficiencies between 33-40%. Once the best performance conditions were selected, some preliminary experiments, involving the in-line isolation, recovery, encapsulation and sorting of cells were carried out to establish the interface between the different microfluidic modules. The successful integration of these microfluidic modules may pave the way towards the performance of downstream analysis to obtain a more detailed and in-depth profiling of cancer cells and a better understanding of their role of in each patient.