Preclinical validation of an optofluidic system for the detection of minimal residual disease in Acute Myeloid Leukemia

Abstract

A leucemia mielóide aguda compreende um grupo de neoplasias hematológicas caracterizadas por diferenciação anormal e proliferação de células hematopoiéticas de progenitores imaturos. Após tratamento com quimioterapia, mesmo os pacientes que clinicamente atingem a remissão completa podem recair através da persistência da doença residual mínima. As ferramentas de diagnóstico atuais, baseados em biopsia de medula óssea e citometria de fluxo, são utilizados para a deteção precoce da doença mas têm baixa sensibilidade e são altamente invasivos, dolorosos, e dispendiosos. Um diagnóstico exato e precoce da doença residual mínima permitiria a aplicação de uma terapia apropriada, melhorando o prognóstico dos pacientes. Além disso, nos últimos anos, foi alcançado um enorme progresso relativamente à patogénese molecular da leucemia mielóide aguda, contudo os mecanismos moleculares subjacentes à quimio-resistência e à progressão da doença são ainda pouco compreendido. Desta forma, para melhor compreender e superar os problemas da doença, o principal objetivo deste trabalho era desenvolver um dispositivo microfluídico para isolar os blastos leucémicas e um nanobiosensor para uma análise molecular mais aprofundada dos blastos isolados. Para isso, foi fabricado um dispositivo funcionalizado com CD33 e CD34, e foram utilizadas 3 linhas celulares (KG-1 e HL-60 para controlo positivo e Jurkat para controlo negativo), para observar qual a condição que apresentava a melhor eficiência de captura. Para avaliar as mutações celulares relevantes, foi fabricado um substrato espectroscopia Raman amplificada por superfície, no qual foram efetuadas várias otimizações para determinar a melhor concentração e tempo de incubação de dopamina e ouro. Por fim, após realizadas todas as otimizações, os dispositivos microfluídicos serão validados usando amostras de doentes. Esperamos assim que a implementação destas tecnologias permitam obter mais informações sobre a leucemia mielóide aguda a um nível mais individual.

Acute myeloid leukemia (AML) comprises a group of hematologic neoplasms characterised by abnormal differentiation and proliferation of immature progenitor’s hematopoietic cells. After treatment with chemotherapy, even patients that clinically achieve complete remission (CR) can relapse through the persistence of minimal residual disease (MRD). Current diagnostic tools, based on bone marrow biopsy and flow cytometry, are used for early detection of the disease but have low sensitivity and are highly invasive, painful, and costly. Accurate and early diagnosis of MRD would allow the application of appropriate therapy, improving the prognosis of patients. In addition, in the last years, an enormous progress has been achieved concerning the molecular pathogenesis of AML, however the molecular mechanisms underlying chemoresistance and disease progression are still poorly understood. In this way, to better understand and overcome these problems in AML disease the main goal of this work was to develop a microfluidic device able to isolate the leukemic blasts from clinical samples and a nanobiosensor for their subsequent molecular analysis. A microfluidic device was fabricated and functionalised using CD33 and CD34 antibodies. The performance of the system was tested using 3 different cell lines (KG-1 and HL-60 as positive controls and Jurkat as negative control). For the molecular analysis, a nanobiosensor based on surface-enhanced Raman scattering spectroscopy (SERS) was fabricated to evaluate relevant cell mutations. Several optimisations were performed to determine the best concentration and incubation time of dopamine and gold reagents. Lastly, once all the optimisations are completed, we will use patient samples to validate the microfluidic devices. We expect the implementation of these technologies can enable to obtain more information about the AML disease at an individual level.