Ανάπτυξη βιοαναλυτικού μικροσυστήματος με νανοδομημένες επιφάνειες για τον εμπλουτισμό και την ανίχνευση καρκινικών κυττάρων

Abstract

According to Centers for Disease and Control Prevention, cancer is the second cause of death worldwide and 90% of morbidity is due to metastasis. For this reason, the detection of the initiate tumor, as well as monitoring of metastasis is of great importance. Towards this direction, a lot of methods targeting the detection of cancer cells from blood or solid tumors have been employed. The aim of the current PhD thesis, was the development of a microsystem with embedded micro/nanostructured surfaces for the enrichment of cancer cells when in mixtures with normal ones. The first step of this study, was to investigate the effect of micro/nanostructuring on adhesion, proliferation and morphology of normal skin and lung fibroblasts and cancer cells (skin, prostate, lung). Thus, poly(methyl methacrylate) (PMMA) substrates (films and plates) were etched with oxygen plasma, under different conditions. It was found that, on the surfaces with mean height of approximately 1 μm (for the films) and 5.5 μm (for the plates), all cancer cell lines tested, adhered and proliferated unobstractly, while the proliferation of normal fibroblasts was hindered. Based on the different behavior of normal and cancer cells, co-culture experiments were performed on the above surfaces and an enrichment of cancer cells towards the normal ones, of up to 80 times was achieved, using the micro/nanostructured surfaces. Taking into account, the enrichment of cancer cells obtained on plain culture, co-culture experiments were also performed on a microfluidic channel, which embedded the micro/nanostructured surfaces. The results were very promising, concerning the enrichment of cancer cells when in mixtures with normal ones, under an optimum flow rate.

Σύμφωνα με τα Κέντρα Νοσημάτων και Ελέγχου Πρόληψης, ο καρκίνος αποτελεί τη δεύτερη αιτία θανάτου, με το 90% της θνησιμότητας να οφείλεται σε μεταστάσεις. Για το λόγο αυτό είναι πολύ σημαντική τόσο η έγκαιρη ανίχνευση του πρωτογενούς όγκου όσο και η παρακολούθηση των μεταστάσεων. Προς αυτή την κατεύθυνση έχει αναπτυχθεί πληθώρα μεθόδων, οι οποίες στοχεύουν στην ανίχνευση καρκινικών κυττάρων από αίμα ή από βιοψίες ασθενών. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μικροσυστήματος, βασιζόμενου σε μικρο/νανοδομημένες επιφάνειες για τον εμπλουτισμό καρκινικών κυττάρων από μίγματα με φυσιολογικά κύτταρα. Αρχικά, κατασκευάστηκαν μικρο/νανοδομημένες επιφάνειες (υμένια και πλακίδια) πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (PMMA) μέσω εγχάραξης με πλάσμα οξυγόνου και μελετήθηκε η επίδραση της διαφορετικής τραχύτητας των επιφανειών στην προσκόλληση, τον πολλαπλασιασμό και τη μορφολογία φυσιολογικών ινοβλαστών (δέρματος και πνεύμονα) και καρκινικών κυττάρων (δέρματος, προστάτη και πνεύμονα). Διαπιστώθηκε ότι, στις επιφάνειες τραχύτητας ύψους ~1 μm για τα υμένια και ~5,5 μm για τα πλακίδια PMMA, ευνοήθηκε η προσκόλληση και ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων, ενώ ανεστάλη ο πολλαπλασιασμός των φυσιολογικών. Βάσει της διαφορετικής συμπεριφοράς των 2 ειδών κυττάρων στις τραχείες επιφάνειες, πραγματοποιήθηκαν πειράματα συγκαλλιέργειας φυσιολογικών και καρκινικών κυττάρων στις υπό εξέταση επιφάνειες και επετεύχθη εμπλουτισμός των καρκινικών κυττάρων έως 80 φορές, σε σχέση με τα φυσιολογικά. Στηριζόμενοι στους εμπλουτισμούς που ελήφθησαν σε στατική καλλιέργεια, αναπτύχθηκε μικρορευστομηχανική διάταξη, με χρήση της οποίας, ελήφθησαν πολύ ενθαρυντικά αποτελέσματα ως προς τον εμπλουτισμό των καρκινικών κυττάρων υπό ροή.