Microfabrication of a microfluidic device for cell sorting: isolation of both circulating tumour cell (CTC) and giant cancer associated macrophage-like cells (CAMLs)

Abstract

O cancro é a segunda maior causa de morte do mundo, tendo as mortes relacionadas com cancro vindo a aumentar. Entre os vários tipos de cancro, o cancro da próstata (PCa) é o segundo cancro masculino mais comum. Uma grande parte das mortes por cancro poderia ser evitada se os doentes fossem diagnosticados e tratados antes do desenvolvimento de metástases cancerígenas. A presença de células tumorais circulantes (CTC) e de macrófagos associados a tumores (CAML) na corrente sanguínea dos doentes com cancro é crucial para a deteção precoce da doença, já que estas desempenham um papel importante na disseminação do cancro. Assim, é importante desenvolver tecnologias capazes de detetar, quantificar e analisar estas células raras, pois isso permitiria um tratamento personalizado não invasivo, assim como um acompanhamento dos doentes em tempo real. Portanto, este estudo centrou-se no desenvolvimento e otimização de um sistema microfluídico capaz de isolar eficazmente tanto as CTCs como as CAMLs do sangue periférico de pacientes com PCa. Assim sendo, foram concebidos dois dispositivos microfluídicos em espiral de Dean Flow Fractionation (DFF), tendo um dispositivo duas saídas e o outro quatro saídas. As forças inerciais inerentes que atuam sobre os microcanais permitem uma separação contínua das partículas de interesse, provocada pela diferença de tamanho entre as CTCs e CAMLs e o resto das células sanguíneas. As geometrias dos dispositivos foram desenvolvidas utilizando um software CAD, tendo estas sido otimizadas numericamente antes de os dispositivos serem fabricados. Ambos os dispositivos foram testados numérica e experimentalmente para assegurar que seriam capazes de isolar as células tumorais circulantes raras. O desempenho dos dispositivos foi experimentalmente otimizado utilizando amostras de suspensões celulares de linhas de células cancerosas da próstata (DU-145 e PC-3) e células gigantes geradas in vitro, tendo estas sido suspensas em sangue saudável e diluídas. Para os caudais ideais da amostra e do fluido buffer de 100 e 1000 µL/min, respetivamente, a eficiência de isolamento do sistema microfluídico final foi de 85,28% para a linha de células PCa e 60,83% para as células gigantes geradas in vitro, tendo também sido alcançada uma elevada depleção do resto das células sanguíneas. Os resultados numéricos e experimentais foram semelhantes. Assim, os dispositivos microfluídicos propostos constituem um método viável para isolar células tumorais circulantes raras, potencialmente abrindo caminho para a deteção não-invasiva e para a monitorização do tratamento do cancro.

Cancer is the world's second largest cause of death, with cancer-related fatalities growing over the years. Among the various cancer types, prostate cancer (PCa) is the second most common male cancer. However, a large portion of cancer fatalities might be avoided if patients were diagnosed and treated before the development of cancer metastases. The presence of rare circulating tumor cells (CTCs) and cancer-associated macrophage-like cells (CAMLs) in cancer patients' bloodstreams are crucial for early disease detection and treatment monitoring, as they play an important role in cancer dissemination, i.e. in the metastasis process. Thus, it is important develop technologies capable of detecting, quantifying and analysing these rare cells, as that would allow for a personalized non-invasive treatment, as well as real time patient monitoring. Therefore, this study focused on the development and optimization of a microfluidic system capable of efficiently isolate both CTCs and CAMLs from peripheral blood of PCa patients. As such, two spiral Dean Flow Fractionation (DFF) microfluidic devices were designed, a two-outlet and four-outlet device. The inherent inertial forces that act on the microchannels allow for a continuous, size-based separation of CTCs and CAMLs from blood. The devices geometries were developed using a CAD software, being numerically optimized prior to its fabrication. Both devices were tested numerically and experimentally to assure that they were capable of isolate rare circulating cancer-related cells. The devices’ performances were experimentally optimized using samples of cell suspensions of prostate cancer cell lines (DU-145 and PC-3) and in vitro generated giant cells suspended in diluted in healthy blood. For the optimal sample fluid and buffer fluid flow rates of 100 and 1000 µL/min, respectively, the isolation efficiency of the final microfluidic system was 85.28% for the PCa cell line and 60.83% for the in vitro generated giant cells, while a high depletion of non-interest cells was achieved. The numerical and experimental results were similar. Thus, the proposed microfluidic devices constitute a viable method to isolate rare circulating cancer-related cells, potentially paving the way for personalized non-invasive detection and treatment monitoring of cancer.