Bioingenieros desarrollan un sistema inspirado en hojas de loto para la investigación del cáncer

La hoja de loto es pionera en Ingeniería autolimpiante y repelente al aguaLas gotas de agua prácticamente flotan en su superficie, cuya textura única atrapa el aire en sus crestas y pliegues de tamaño nanométrico.

Los bioingenieros de la Universidad Rice informan que aprovechan la efecto loto Desarrollar un sistema para cultivar grupos de células cancerosas que pueda arrojar luz sobre propiedades tumorales difíciles de estudiar. La nueva superficie de cultivo basada en óxido de zinc imita la estructura de la superficie de la hoja de loto, lo que proporciona una plataforma altamente ajustable para la generación de alto rendimiento de modelos tumorales tridimensionales a escala nanométrica.

El dispositivo de matriz superhidrofóbica (SHArD) diseñado por el bioingeniero de Rice Michael King y sus colaboradores se puede utilizar para crear modelos ajustables, compactos y fisiológicamente relevantes para estudiar la progresión del cáncer, incluida la metástasis, la etapa de la enfermedad en la que las células cancerosas viajan a través del torrente sanguíneo desde un sitio de tumor primario a otras partes del cuerpo.

«El estudio de la metástasis, la principal causa de muerte por cáncer, plantea un desafío particular en parte debido a la dificultad de desarrollar modelos precisos y de alto rendimiento», dijo King, autor correspondiente en Un estudio publicado en Nano ACS que describe la nueva plataforma de cultivo. «Esperamos que esta herramienta nos permita obtener nuevos conocimientos sobre esta etapa problemática de la enfermedad y nos ayude a identificar formas de intervenir para detenerla o prevenirla».

Los científicos y los médicos ahora dependen de muestras de sangre que contienen células tumorales circulantes (un marcador clave de metástasis) para comprender las propiedades de los tumores primarios, así como las causas de la propagación del cáncer. Este método de muestreo, que a menudo se denomina «biopsia líquida», no suele producir una «captura» suficiente como para permitir estudios en profundidad y a gran escala de los procesos metastásicos.

«La ‘seguridad en los números’ lamentablemente también se aplica a las células cancerosas que circulan en el torrente sanguíneo», dijo Alexandria Carter, investigadora del laboratorio de King y coautora del estudio. «Las células cancerosas que viajan solas tienen más probabilidades de sucumbir a la destrucción por esfuerzo cortante o a los ataques de las células inmunitarias. Sin embargo, cuando viajan en grupos, la probabilidad de que lleguen con éxito y se instalen en otras partes del cuerpo aumenta.

«Esas pocas células cancerosas solitarias en una sola extracción de sangre ya son poco frecuentes, por lo que aislar suficientes grupos para un estudio detallado es especialmente complicado. Por eso, SHArD es una nueva herramienta interesante para comprender el cáncer primario y metastásico».

El laboratorio de King había logrado previamente crear capas de nanobarras de halloysita, una sustancia natural cuya textura promueve la adhesión de las células tumorales circulantes al mismo tiempo que repele las células sanguíneas.

«Cuando Kalana Jayawardana se unió a nuestro laboratorio como nuevo investigador postdoctoral en 2018, comenzó a experimentar con el crecimiento de superficies de nanobarras de óxido de zinc», dijo King, un académico del Instituto de Prevención e Investigación del Cáncer de Texas que recientemente se unió a Rice como presidente de la cátedra ED Butcher de Bioingeniería y asesor especial del rector sobre colaboraciones en ciencias biológicas con el Centro Médico de Texas. «Al principio, no teníamos una aplicación específica en mente, pero teníamos curiosidad y esperanza de que el nuevo material tuviera propiedades especiales que fueran útiles para la biología del cáncer».

El proyecto fue retomado posteriormente por una estudiante de doctorado del laboratorio de King, María López-Cavestany, y tomó un rumbo apasionante. Cavestany, ahora doctoranda, es la primera autora del estudio.

Una vez que lograron desarrollar una «alfombra» estable de nanotubos de óxido de zinc, los investigadores agregaron un recubrimiento similar al teflón en la parte superior, recreando en esencia la estructura de la hoja de loto: una rugosidad a escala nanométrica combinada con una capa hidrófoba que, en conjunto, dio lugar a una verdadera superhidrofobicidad, una palabra que proviene del griego y significa «miedo extremo al agua». Para crear SHArD, los investigadores agregaron una rejilla de micropocillos con compartimentos de tamaño perfecto y luego probaron el sistema para evaluar su rendimiento.

«SHArD está listo para usarse en la investigación biomédica», afirmó Carter. «Cualquier laboratorio con acceso a una sala limpia puede seguir nuestros protocolos y crear versiones de esta plataforma que satisfagan exactamente las necesidades de sus proyectos de investigación específicos».

Inicialmente pensado como un medio para cultivar modelos de tumores primarios de manera confiable a un mayor rendimiento, SHArD es altamente ajustable y puede adaptarse fácilmente también para cultivar grupos metastásicos. El hecho de que SHArD se haya utilizado con éxito para cultivar modelos esferoidales de tumores primarios ya amplía el conjunto de herramientas de modelado del cáncer, lo que hace posible crear dispositivos de cultivo superhidrofóbicos en ausencia de equipo altamente especializado.

«El dispositivo formador de grupos ha abierto la puerta a nuevas áreas de investigación sobre los grupos peligrosos que se encuentran en el torrente sanguíneo de pacientes con cáncer en etapa avanzada», dijo King.