Il sistema acustofluidico offre una svolta nella separazione delle cellule tumorali cerebrali (CTC) per la diagnosi precoce del cancro / Acoustofluidic System Offers a Breakthrough in Separating CTCs for Early Cancer Detection
Il sistema acustofluidico offre una svolta nella separazione delle cellule tumorali cerebrali (CTC) per la diagnosi precoce del cancro / Acoustofluidic System Offers a Breakthrough in Separating CTCs for Early Cancer Detection
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Negli ultimi anni, le cellule tumorali circolanti (CTC), un tempo considerate un'importante pietra angolare per lo sviluppo di biopsie liquide per la rilevazione del cancro, sono passate in secondo piano rispetto agli strumenti che analizzano il DNA tumorale circolante (ctDNA). Parte della difficoltà di sfruttare le CTC per scopi diagnostici è stata la loro rarità in un prelievo di sangue standard. A differenza dei test ctDNA che possono amplificare il materiale del DNA per l'analisi, con le CTC, ciò che trovi è ciò che ottieni.
Tuttavia, le CTC possono fornire un quadro più completo del cancro di un paziente se si possono raccogliere abbastanza cellule per l'analisi. Ora, una nuova tecnologia di separazione cellulare sviluppata dagli scienziati della KN Toosi University of Technology di Teheran, Iran, promette di riaccendere l'interesse nell'uso delle CTC come biomarcatori diagnostici per il cancro. Il nuovo metodo, pubblicato sulla rivista Physics of Fluids, utilizza la tecnologia delle onde acustiche di superficie stazionarie (SSAW) per separare le CTC dai globuli rossi con altissima precisione ed efficienza.
"Abbiamo combinato algoritmi di apprendimento automatico con modelli basati sui dati e dati computazionali per mettere a punto un sistema per tassi di recupero e tassi di separazione cellulare ottimali", ha affermato Naser Naserifar, co-ricercatore presso la KN Toosi University of Technology. "Il nostro sistema raggiunge il 100% di recupero in condizioni ottimali, con significative riduzioni del consumo energetico attraverso un controllo preciso delle pressioni acustiche e delle portate".
Gli attuali metodi per la separazione CTC spesso richiedono attrezzature complesse, grandi volumi di campione ed una preparazione estesa, il che li rende poco pratici per l'uso al di fuori dei laboratori di ricerca. Questa nuova piattaforma acustofluidica potrebbe superare questi fattori limitanti offrendo un'alternativa precisa ed efficiente dal punto di vista energetico.
Per il loro lavoro, i ricercatori hanno combinato più tecniche per progettare la loro nuova piattaforma tecnologica. Gli SSAW generano onde acustiche ad alta frequenza che manipolano il movimento delle cellule all'interno di un canale microfluidico. Progettando strategicamente la geometria del canale ed applicando campi acustici a pressione dualizzata, i ricercatori hanno migliorato la capacità del sistema di isolare le CTC dai globuli rossi circostanti. Questo metodo non solo migliora l'efficienza di separazione, ma genera anche set di dati affidabili per prevedere i modelli di migrazione delle cellule tumorali.
"Abbiamo prodotto una piattaforma avanzata lab-on-chip che consente una separazione cellulare in tempo reale, efficiente dal punto di vista energetico ed altamente accurata", ha affermato il coautore dello studio Afshin Kouhkord. "La tecnologia promette di migliorare l'efficienza della separazione CTC e di aprire nuove possibilità per una diagnosi precoce e più efficace del cancro. Inoltre, apre la strada alla microingegneria ed all'intelligenza artificiale applicata nella medicina personalizzata e nella diagnostica del cancro".
I potenziali utilizzi di questa tecnologia sono ampi. Oltre a migliorare l'efficienza della diagnosi del cancro, ha il potenziale per sviluppare dispositivi diagnostici portatili lab-on-chip, che potrebbero essere utilizzati per il rilevamento ed il monitoraggio del cancro in tempo reale. La capacità del sistema di generare dati dettagliati sull'interazione cellulare apre anche nuove possibilità per studiare il comportamento e la migrazione delle cellule tumorali, fattori chiave per comprendere come si diffonde il cancro.
"L'integrazione del metodo Multiphysics Finite Element e della modellazione surrogata multivariata... genera set di dati che prevedono le prestazioni del sistema microelettromeccanico acustico proposto nello spiegare i fenomeni di migrazione cellulare", hanno scritto i ricercatori nel loro studio. "Questo approccio innovativo nella tecnologia laboratory-on-chip apre la strada alla medicina personalizzata, all'analisi molecolare in tempo reale ed alla diagnostica point-of-care".
Ulteriori fasi di ricerca includono il perfezionamento dell'efficienza del sistema per applicazioni su larga scala e la garanzia della sua adattabilità per un'ampia gamma di tumori. Sfruttando l'apprendimento automatico per ottimizzare le prestazioni del sistema, i ricercatori sperano di migliorare la precisione della loro piattaforma e la sua capacità di gestire diversi campioni di sangue in un contesto clinico.
ENGLISH
In recent years, circulating tumor cells (CTCs), once touted to be an important cornerstone for the development of liquid biopsies for cancer detection have taken a back seat to tools that analyze circulating tumor DNA (ctDNA). Part of the difficulty of leveraging CTCs for diagnostic purposes has been their rarity in a standard blood draw. Unlike ctDNA tests that can amplify the DNA material for analysis, with CTCs, what you find, is what you get.
Still CTCs can provide a more complete picture of a patient’s cancer if enough cells can be collected for analysis. Now, a new cell separation technology developed by scientists at the K. N. Toosi University of Technology in Tehran, Iran, promises to reignite interest in the use of CTCs as diagnostic biomarkers for cancer. The novel method, published in the journal Physics of Fluids, uses standing surface acoustic wave (SSAW) technology to separate the CTCs from red blood cells with very high precision and efficiency.
“We combined machine learning algorithms with data-driven modeling and computational data to fine-tune a system for optimal recovery rates and cell separation rates,” said Naser Naserifar, co-researcher at K. N. Toosi University of Technology. “Our system achieves 100% recovery at optimal conditions, with significant reductions in energy consumption through precise control of acoustic pressures and flow rates.”
Current methods for CTC separation often require complex equipment, large sample volumes, and extensive preparation, which make them impractical for use outside of research laboratories. This new acoustofluidic platform could overcome these limiting factors by offering a precise and energy-efficient alternative.
For their work, the researchers combined multiple techniques to design their new technology platform. The SSAWs generate high-frequency acoustic waves that manipulate the movement of cells within a microfluidic channel. By strategically designing the channel’s geometry and applying dualized pressure acoustic fields, the researchers enhanced the system’s ability to isolate CTCs from surrounding red blood cells. This method not only improves separation efficiency but also generates reliable datasets to predict the migration patterns of tumor cells.
“We have produced an advanced, lab-on-chip platform that enables real-time, energy-efficient, and highly accurate cell separation,” said study co-author Afshin Kouhkord. “The technology promises to improve CTC separation efficiency and open new possibilities for earlier and more effective cancer diagnosis. It also paves the way for microengineering and applied AI in personalized medicine and cancer diagnostics.”
The potential uses of this technology are broad. In addition to improving the efficiency of cancer diagnosis, it holds potential for developing portable, lab-on-chip diagnostic devices, which could be used for real-time cancer detection and monitoring. The system’s ability to generate detailed cell interaction data also opens new possibilities for studying tumor cell behavior and migration, key factors in understanding how cancer spreads.
“The integration of Multiphysics Finite Element Method and multivariate surrogate modeling…generate datasets that predict the performance of the proposed acoustic micro-electro-mechanical system in explaining the cell migration phenomena,” the researchers wrote in their study. “This innovative approach in laboratory-on-chip technology paves the way for personalized medicine, real-time molecular analysis, and point-of-care diagnostics.”
Further research steps include refining the system’s efficiency for large-scale applications and ensuring its adaptability for a wide range of cancers. By leveraging machine learning to optimize system performance, the researchers hope to enhance the precision of their platform and its ability to handle diverse blood samples in a clinical setting.
Da:
https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/oncology/acoustofluidic-system-offers-a-breakthrough-in-separating-ctcs-for-early-cancer-detection/
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