Biorecognition of single cancer cells in microdroplets through a plasmonic sensor

Abstract

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo, mas esta doença não afeta uniformemente, tendo uma incidência mais elevada em países desenvolvidos, resultante do desenvolvimento socioeconómico. A metastização é uma das principais causas de morte em pacientes com cancro, e este é um processo complexo que envolve a invasão de células cancerígenas no local primário, intravasação na circulação, sobrevivência na circulação, extravasação da circulação, fixação e colonização do local metastático. Estas células que escapam do tumor e começam a circular pelo sistema circulatório são chamadas de células tumorais circulantes (CTCs). Os métodos atuais não são muito eficientes na deteção precoce de metástases. Portanto, são necessários métodos mais sensíveis para a deteção e caracterização de CTCs de forma rápida e antecipada, para prever e prevenir a formação destas metástases e melhorar a eficácia dos métodos terapêuticos atuais. Assim, nos últimos anos, o desenvolvimento de biossensores para a deteção destas células tem sido uma área de grande interesse para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico da doença. Portanto, neste projeto, decidimos desenvolver um novo sistema lab-on-a-chip com base em microfluídica, utilizando bactérias, E. coli, com antigénios capazes de detetar recetores presentes nas membranas celulares das CTCs e a consequente produção e libertação de Raman Reporters (RaRs) pelas bactérias, e utilizar a espectroscopia de espalhamento Raman reforçado pela superfície (SERS), que pode ser uma ferramenta útil para a caracterização do fenótipo deste tipo de células. Para isso, as CTCs e as bactérias foram encapsuladas em microgotas, capturadas no substrato de SERS, composto por nanoestruturas plasmónicas altamente sensíveis. Após algumas otimizações iniciais na produção de microgotas, os resultados foram promissores, culminando na bem-sucedida encapsulação de células e bactérias. Além disso, foi observado o reconhecimento destas células e bactérias, marcando um marco significativo neste estudo. O reconhecimento foi realizado através da análise da fluorescência presente nas bactérias, usando a proteína fluorescente verde (GFP). Este desenvolvimento é crucial, uma vez que permite a identificação e o acompanhamento das células encapsuladas e das bactérias, abrindo portas para uma ampla gama de aplicações na pesquisa microbiológica e biotecnológica. Além disso, os substratos de SERS produzidos após as otimizações apresentaram notável homogeneidade e capacidade para amplificar o sinal da Violaceína, um dos Raman reporters (RaRs) escolhidos.

Cancer is one of the leading causes of death worldwide, but this disease does not affect uniformly, having a higher incidence rate in developed countries, resulting from socioeconomic development. Metastasis is one of the major causes of death in cancer patients, and this is a complex process that involves the invasion of cancer cells at the primary site, intravasation into the circulation, survival in the circulation, extravasation from the circulation, and fixation and colonization of the metastatic site. These cells that leak from the tumor and begin to circulate through the circulatory system are called circulating tumor cells (CTCs). Current methods are not very efficient in the early detection of metastases. Therefore, more sensitive methods are needed for the detection and phenotyping of CTCs quickly and in advance, to predict and prevent the formation of these metastases and to enhance the efficiency of current therapeutic methods. Therefore, over the last few years, the development of biosensors for the detection of these cells has been an area of great interest for the development of methods for diagnosing the disease. Thus, in this project, we decided to develop a new lab-on-a-chip system based on microfluidics, using bacteria, E.coli, with antigens capable of detecting receptors present in the cell membranes of CTCs and the consequent production and release of Raman Reporters (RaRs) by the bacteria, and use surface enhanced Raman Scattering spectroscopy (SERS), which may be a useful tool for the characterization of the phenotype of this type of cells. For this, the CTCs and bacteria were encapsulated in micro-droplets, captured on the substrate of SERS, which is composed of highly sensitive plasmonic nanostructures. After some initial optimizations in the production of micro-droplets, the results were promising, culminating in the successful encapsulation of cells and bacteria. Moreover, the recognition of these cells and bacteria was observed, marking a significant milestone in this study. Recognition was performed by analyzing the fluorescence present in the bacteria, using the green fluorescent protein (GFP). This development is crucial as it allows for the identification and tracking of encapsulated cells and bacteria, opening the door to a wide range of applications in microbiological and biotechnological research. Additionally, the SERS substrates produced after the optimizations exhibited remarkable homogeneity and the capability to enhance the signal of Violacein, one of the chosen Raman reporters (RaRs).