Development of a microfluidic device for the isolation of ctDNA from the blood of cancer patients

Abstract

O câncro da mama é um dos tipos de câncer mais comuns e uma das principais causas de mortalidade por câncer em mulheres1. A metástase é a causa básica da mortalidade relacionada ao câncer e, como o câncer é uma doença dinâmica e heterogênea, é crucial monitorizar a progressão da doença para combater a sua evolução2. Os métodos atualmente utilizados na clínica não são ideais, pois não representam o real estado do tumor. Para promover uma maior precisão na biomedicina a fim de melhorar o diagnóstico clínico e as decisões terapêuticas, é necessário desenvolver novas estratégias de detecção dos biomarcadores3. Por meio da biópsia líquida (LB), que é um método minimamente invasivo, é possível aceder informações sobre o tumor em tempo real, superando as limitações da biópsia solida4, permitindo um diagnóstico mais preciso, precoce e uma terapia personalizada. LB analisa vários biomarcadores de câncer, incluindo ctDNA5. O DNA tumoral circulante (ctDNA) é um DNA fragmentado que se origina no tumor ou em células tumorais circulantes (CTCs) que circulam livremente no sangue do paciente, resultantes do fenômeno da metástase. Ao ser proveniente das células, é liberado após sua morte, por diferentes processos como apoptose, necrose e autofagia, assim o ctDNA apresenta menor uniformidade de tamanho e integridade quando relacionado ao DNA livre de células6. Estudos anteriores sobre o ctDNA mostraram que ele representa um biomarcador valioso para identificar mutações específicas que fornecem informações valiosas para o manejo clínico de pacientes com câncer, pois representa uma fonte em tempo real de informações relacionadas ao tumor, relevantes para a progressão do câncer e personalização do tratamento do paciente para melhorar a sua resposta. No entanto, as técnicas atuais de extração de ctDNA são complicadas e pouco eficientes7–9. Microfluídica é a área da ciência de manipulação e controlo de fluidos e partículas em microcanais10. Apresenta múltiplas vantagens no manuseio de amostras biológicas, como a possibilidade de dispositivos portáteis, descartáveis e de baixo custo, e a oferta de capacidade de integração para que toda a gama de protocolos laboratoriais de bancada, desde o manuseio de amostras até a reação, separação e deteção, possam ser incorporados e automatizados num único chip 11.

Breast cancer is one of the most common cancer types and a leading cause of cancer-related mortality in women1 . Metastasis is the underlying cause of cancer-related mortality, and since cancer is a dynamic and heterogeneous disease, it is crucial to monitor disease progression to fight cancer evolution2 . The methods currently used in the clinic, are not ideal as they fail to represent the real state of the tumor. To promote greater precision in biomedicine to improve clinical diagnosis and therapeutic decisions, it is necessary to develop new biomarker detection strategies3 . Through liquid biopsy (LB), which is a minimally invasive method, it is possible to access information about the tumor in real-time, overcoming the limitations of tissue biopsy4 , and allowing a more precise and early diagnosis and personalized therapy. LB analyses several cancer biomarkers, including ctDNA5 . Circulating tumor DNA (ctDNA) is fragmented DNA that originates in the tumor or in circulating tumor cells (CTCs) circulating freely in the patient's blood, resulting from the phenomenon of metastasis. When coming from cells, it is released upon their death, by different processes such as apoptosis, necrosis, and autophagy, thus ctDNA exhibits less uniformity in size and integrity when related to cell-free DNA6 . Previous ctDNA studies have shown that it represents a valuable biomarker to identify specific mutations that provide valuable information for the clinical management of cancer patients as it represents a real-time source of tumor-related information, relevant to cancer progression and personalize patient treatment to improve their response. However, current techniques for ctDNA extraction are complicated and not very efficient7–9 . Microfluidics is the area of science of handling and controlling fluids and particles in microchannels10. It presents multiple advantages to handling biological samples, such as the possibility of portable, disposable, and inexpensive devices, and the offer of integration capability so that the entire range of benchtop laboratory protocols, from sample handling to reaction, separation, and detection, can be incorporated and automated on a single chip11.