Bioengenheiros desenvolvem sistema inspirado em folha de lótus para pesquisa do câncer

A folha de lótus é pioneira em engenharia autolimpante e repelente de água. Gotículas de água praticamente pairam em sua superfície, cuja textura única prende o ar em suas cristas e dobras nanométricas.

Bioengenheiros da Rice University relatam aproveitar o efeito lótus para desenvolver um sistema para cultivar aglomerados de células cancerígenas que podem lançar luz sobre propriedades tumorais difíceis de estudar. A nova superfície de cultivo baseada em óxido de zinco imita a estrutura da superfície da folha de lótus, fornecendo uma plataforma altamente ajustável para a geração de alto rendimento de modelos de tumores tridimensionais em nanoescala.

O dispositivo de matriz super-hidrofóbica (SHArD) projetado pelo bioengenheiro da Rice, Michael King, e colaboradores pode ser usado para criar modelos ajustáveis, compactos e fisiologicamente relevantes para estudar a progressão do câncer, incluindo a metástase, o estágio da doença em que as células cancerígenas viajam pela corrente sanguínea de um local de tumor primário para outras partes do corpo.

“O estudo da metástase ⎯ a principal causa de mortes por câncer ⎯ representa um desafio particular, em parte devido à dificuldade de desenvolver modelos precisos e de alto rendimento”, disse King, que é autor correspondente de um estudo publicado em ACS Nano que descreve a nova plataforma de cultura. “Esperamos que esta ferramenta desbloqueie novos conhecimentos sobre este estágio problemático da doença e nos ajude a identificar maneiras de intervir para impedir ou impedir que isso aconteça.”

Cientistas e clínicos agora dependem de amostras de sangue contendo células tumorais circulantes ⎯ um marcador-chave de metástase ⎯ para entender as propriedades dos tumores primários, bem como o que faz o câncer se espalhar. Muitas vezes chamada de “biópsia líquida”, essa abordagem de amostragem normalmente não produz uma “captura” suficiente para permitir estudos aprofundados e em larga escala de processos metastáticos.

“‘Segurança em números’ infelizmente também se aplica a células cancerígenas circulando na corrente sanguínea”, disse Alexandria Carter, pesquisadora do laboratório King que é coautora do estudo. “Células cancerígenas viajando sozinhas têm mais probabilidade de sucumbir à destruição por estresse de cisalhamento ou ataques de células imunes. No entanto, quando viajam em grupos, a probabilidade de que alcancem e se instalem com sucesso em outras partes do corpo aumenta.

“Essas poucas células cancerígenas isoladas em uma única coleta de sangue já são raras, então isolar grupos suficientes para um estudo detalhado é especialmente desafiador. É por isso que o SHArD é uma nova ferramenta empolgante para entender o câncer primário e metastático.”

O laboratório King já havia conseguido criar camadas de nanorods de haloisita, uma substância natural cuja textura promove a adesão de células tumorais circulantes e, ao mesmo tempo, repele células sanguíneas.

“Quando Kalana Jayawardana se juntou ao nosso laboratório como um novo bolsista de pós-doutorado em 2018, ele começou a experimentar o crescimento de superfícies de nanorod de óxido de zinco”, disse King, um acadêmico do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas que recentemente se juntou à Rice como o ED Butcher Chair de Bioengenharia e consultor especial do reitor em colaborações de ciências biológicas com o Texas Medical Center. “No início, não tínhamos uma aplicação específica em mente, mas estávamos curiosos e esperançosos de que o novo material teria propriedades especiais que seriam úteis para a biologia do câncer.”

O projeto foi posteriormente assumido por uma aluna de doutorado no laboratório King, Maria Lopez-Cavestany, e decolou em uma direção emocionante. Cavestany, agora graduada em Ph.D., é a primeira autora do estudo.

Depois que conseguiram desenvolver um “tapete” estável de nanotubos de óxido de zinco, os pesquisadores adicionaram um revestimento semelhante ao teflon por cima, recriando essencialmente a estrutura da folha de lótus ⎯ rugosidade em nanoescala combinada com uma camada hidrofóbica que, juntas, deram origem à verdadeira super-hidrofobicidade, uma palavra derivada do grego para “medo extremo de água”. Para criar o SHArD, os pesquisadores adicionaram uma grade de micropoços com compartimentos de tamanho perfeito e, em seguida, testaram o sistema para avaliar seu desempenho.

“SHArD está pronto para ser usado em pesquisa biomédica”, disse Carter. “Qualquer laboratório com acesso a sala limpa pode seguir nossos protocolos e criar versões desta plataforma que atendam às necessidades exatas de seus projetos de pesquisa específicos.”

Inicialmente concebido como um meio de cultivar de forma confiável modelos de tumores primários em um rendimento mais alto, o SHArD é altamente ajustável e pode ser facilmente adaptado para cultivar clusters metastáticos também. O fato de o SHArD ter sido usado com sucesso para cultivar modelos esferoidais de tumores primários já expande o kit de ferramentas de modelagem de câncer, tornando possível criar dispositivos de cultura super-hidrofóbicos na ausência de equipamentos altamente especializados.

“O dispositivo formador de aglomerados abriu as portas para novas áreas de pesquisa sobre os aglomerados perigosos encontrados na corrente sanguínea de pacientes com câncer em estágio avançado”, disse King.