Microfluidic-based isolation of rare-tumor associated cells in prostate cancer

Abstract

Prostate cancer (PCa) is the most common neoplasia among men. About 90 000 European man die each year from metastatic disease that targets primarily the bones, highlighting the unmet need for new diagnostic tools and therapies. Liquid biopsy has recently been exploited as a promising non-invasive tool towards the molecular profiling of circulating cancer associated cells in various biological fluids, envisaging early diagnosis and real-time patient monitoring of cancer. Among those cells, circulating tumour cells (CTCs), released from the primary tumour into the bloodstream, are considered the main promoters of metastasis. Efficient technologies able to isolate and detect all CTC subpopulations, particularly those most capable of establishing overt metastasis, are urgently required. Other atypical cell population identified in peripheral blood of PCa patients is the cancer-associated macrophages-like cells (CAMLs) that have been reported to interact with CTCs, hitting a role for CAMLs in cancer cell dissemination. Remarkably, CAMLs are more prevalent than CTCs, responsive to treatment and may detect cancer while absent in healthy subjects. In this study, microfluidic cell capture devices have been designed and fabricated for optimized isolation of both CTCs and CAMLs from peripheral blood of PCa patients. Isolation is based on the particular physical characteristics of both target cell populations that allow independent cell collection, in situ molecular characterization and further in vitro culturing. For optimization purposes, monocytes-derived giant cells were firstly generated in vitro, combined with prostate cancer cell line, and spiked in healthy donor blood to be then run into the microfluidic device at different flow rates. Efficiencies of 87% and 43% were obtained in the isolation of PCa cells and monocytes-derived giant cells, respectively (with the flow rate of 100 µL/min for the working fluid and 1000 µL/min for the buffer). Purity of 71% was also achieved. Further experiments with clinical samples from PCa patients are going to be performed in an optimized microfluidic device prototype. The collected two independent cell populations will be then phenotypically characterized in order to find the appropriate combination of molecular markers targeting CTCs and CAMLs and also elucidate about novel molecular targets for future therapeutic approaches.

O cancro da próstata é considerado a neoplasia mais comum entre os homens. Cerca de 90.000 homens europeus morrem em cada ano de doenças metastáticas que atingem principalmente os ossos, destacando a necessidade de novas ferramentas e terapias de diagnóstico. A biópsia líquida começou a ser recentemente explorada como uma ferramenta não invasiva promissora para o perfil molecular de células associadas ao cancro em circulação em vários fluidos biológicos, promovendo o diagnóstico precoce e a monitorização em tempo real do paciente. Entre essas células, destacam-se as células tumorais circulantes (CTCs), que são libertadas do tumor primário entrando na corrente sanguínea. Estas células são consideradas os principais promotores de metástases. Por este motivo, são urgentemente necessárias tecnologias eficientes capazes de isolar e detetar todas as subpopulações de CTCs, particularmente as com maior potencial metastático. Outra população de células atípicas identificada no sangue periférico de pacientes com cancro de próstata são as células semelhantes a macrófagos associados a cancro (CAMLs) que têm vindo a ser relatadas por interagirem com as CTCs, desempenhando um papel importante na disseminação de células cancerígenas. As CAMLs são mais prevalentes que as CTCs, apresentam resposta ao tratamento e apenas podem ser detetadas em pacientes com cancro, sendo assim, ausentes em indivíduos saudáveis. Neste estudo, dispositivos de microfluídica para a captura de células foram projetados e fabricados para isolamento otimizado de CTCs e CAMLs do sangue periférico de pacientes com cancro de próstata. O isolamento é baseado nas características físicas de ambas as populações de células-alvo que permitem a recolha independente de células, caracterização molecular in situ e posterior cultivo in vitro. Para fins de otimização, as células gigantes derivadas de monócitos foram geradas in vitro, combinadas com a linha celular do cancro de próstata, e adicionadas no sangue de doadores saudáveis para serem introduzidas em microdispositivos com diferentes caudais. Eficiências de 87% e 43% foram obtidas no isolamento de células do cancro da próstata e células gigantes derivadas de monócitos, respetivamente (caudal de 100 µL/min para o fluido de trabalho e 1000 µL/min para a solução tampão). Também foi alcançada uma pureza de 71%. Experiências com amostras clínicas de pacientes com cancro de próstata necessitam de ser realizadas no protótipo final do dispositivo microfluídico. As duas populações celulares serão posteriormente caracterizadas fenotipicamente, a fim de encontrar a combinação apropriada de marcadores moleculares para as CTCs e CAMLs e também elucidar sobre novos alvos moleculares para futuras abordagens terapêuticas.