Researchers at MIT's research center in Singapore have developed a new microfluidic device that tests the effects of electric fields on cancer cells. They observed that a range of low-intensity, middle-frequency electric fields effectively stopped breast and lung cancer cells from growing and spreading, while having no adverse effect on neighboring healthy cells.
The device, about the size of a U.S. dollar coin, is designed to help scientists narrow in on safe ranges of electric fields to noninvasively treat breast, lung, and other forms of cancer. The results are published online in Scientific Reports.
The paper's co-authors include Roger Kamm, the Cecil and Ida Green Distinguished Professor of Mechanical and Biological Engineering at MIT, as well as research scientists Andrea Pavesi and Giulia Adriani, postdoc Majid Ebrahimi Warkiani, and student Andy Tay of the Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Senior research officer Wei Hseun Yeap and associate professor Siew Cheng Wong of the Singapore Immunology Network also contributed to the report.
"We hope this device will increase interest by researchers who are exploring the effect of electric fields on different types of cancer," Adriani says. "In our study, we noticed the effect was limited to the cancer cell at the tested frequencies and intensities, but we really need to explore other cells and parameters."
An electric recipe
For the past decade, scientists have been experimenting with the use of electric fields to treat malignant cells, in an alternative cancer treatment called tumor treating field, or TTF. The therapy stems from the interaction between key cellular structures in tumors, and an external electric field.
In general, an electric field is a field of forces that act on objects that have an electric charge. An electric field can also influence the alignment of polar molecules in tumor cells, such as microtubules. Normally, these molecules are crucial for cell division, which, when it goes into overdrive, leads to tumor growth. When microtubules line up end to end to form a mitotic spindle, the cell's genetic material attaches to the spindle fibers, pulling and splitting the cell into two cells.
In the past, scientists have observed that these charged molecules respond to a low-frequency electric field, between 100 and 300 kilohertz and with an intensity as strong as the field strength of a mixer or toaster. Instead of forming mitotic spindles, the microtubule alignment is disrupted in such a way that it prevents cell division and tumor growth.
"Scientists have been trying to figure out a lot of different recipes to try to stimulate the cell with an electric field," Pavesi says. "By tweaking the intensity and frequency, you can have an effect only on the cancer cells, leaving the other type of cells unaltered, without destroying them. That's the key concept."
A company, Novocure, has since been founded to develop TTF therapies for people with brain and lung cancer. Pavesi, who has been helping to design microfluidic devices with Kamm, came up with the idea for a device to test TTF after watching a TED talk by Novocure's founder.
"Immediately, I was thinking to myself, 'This is an easy thing I can replicate in one of my devices,'" Pavesi recalls.
Gaining time
The researchers fabricated the device from PDMS, a widely used, gel-like polymer, and patterned small channels across the device. They then developed a conductive mixture made from micron-sized silver flakes and PDMS, which they cured, then injected into two channels in the device to form two tiny, separate electrodes. In the region between the electrodes, they injected hydrogels with breast or lung cancer cells as well as small tumor masses. The researchers also injected healthy human endothelial cells. The hydrogels created a three-dimensional matrix to mimic the extracellular environment.
The team subjected each cell type in the 3-D matrix to alternating electric fields at frequencies of 150 or 200 kilohertz, continuously, at an intensity of 1.1 volts per centimeter.
In the absence of an electric field, Pavesi says the cancer cells begin to proliferate and spread within two days. However, he and Adriani observed a significant slowdown in tumor progression after three days of continuous electric field stimulation: Proliferation was markedly reduced, while small masses of lung cancer cells did not disperse indicating an inhibition of their metastatic potential. What's more, healthy endothelial cells in the same device were left unaffected. The researchers hypothesize that healthy cells may require different frequencies to be influenced by an electric field, as their size and electrical properties are far different from that of cancer cells.
Adriani hopes the microfluidic device can help scientists test a wide range of electric field intensities and frequencies on other cancer cell types. While TTF therapy has been approved by the Food and Drug Administration for treating brain tumors, that approval process took years to test electric fields, first in vitro, then in animals and in humans. Pavesi says a microfluidic device could speed up that process.
"Maybe by screening TTF to optimize frequency and intensity, you can at least reduce the time it takes for in vivo studies," Pavesi says. "There may be thousands of variables, but you could first try them in this device. If you find 10 that work, you can go ahead and try those 10 in the animal model."
"For personalized medicine, you can test if a recipe works for a specific person," Adriani says. "In three days, you can have an answer. And for many cancer patients who are dying of metastasis, time is everything."
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Les chercheurs du centre de recherche du MIT à Singapour ont développé un nouveau dispositif microfluidique qui teste les effets des champs électriques sur les cellules cancéreuses. Ils ont observé que toute une gamme de faible intensité, et de moyenne fréquence de champs électriques arrête effectivement les cellules du cancer du sein et du cancer du poumon de se développer et de se diffuser, tout en ayant aucun effet néfaste sur les cellules saines voisines.
Le dispositif, de la taille d'une pièce de monnaie en dollars des Etats-Unis, est conçu pour aider les scientifiques de se restreindre sur les gammes sécuritaires des champs électriques pour traiter de façon non invasive le cancer du sein, du poumon, et d'autres formes de cancer. Les résultats sont publiés en ligne dans les rapports scientifiques.
"Nous espérons que ce dispositif va accroître l'intérêt des chercheurs qui explorent l'effet des champs électriques sur les différents types de cancer», dit Adriani. «Dans notre étude, nous avons remarqué que l'effet a été limité à la cellule cancéreuse aux fréquences et intensités testées, mais nous avons vraiment besoin d'explorer d'autres cellules et d'autres paramètres."
Une recette électrique
Pour la dernière décennie, les scientifiques ont fait des expériences avec l'utilisation de champs électriques pour traiter les cellules malignes, dans un traitement alternatif de cancer appelé tumeur traitement champ, ou TTF. La thérapie provient de l'interaction entre les structures cellulaires clés dans les tumeurs, et un champ électrique externe.
En général, un champ électrique est un champ de forces qui agit sur les objets qui ont une charge électrique. Un champ électrique peut également influer sur l'alignement des molécules polaires dans des cellules tumorales, telles que des microtubules. Normalement, ces molécules sont cruciales pour la division cellulaire, qui, quand elles passent à la vitesse supérieure, conduisent à une croissance tumorale. Quand les microtubules alignés bout à bout pour former un fuseau mitotique, le matériel génétique de la cellule se fixe sur les fibres du fuseau mitotique, pour tirer et diviser la cellule en deux cellules.
Dans le passé, les chercheurs ont constaté que ces molécules chargées répondent à un champ électrique à basse fréquence, comprise entre 100 et 300 kHz et avec une intensité plus forte que l'intensité de champ d'un mélangeur ou d'un grille-pain. Au lieu de former fuseaux mitotiques, l'alignement des microtubules est interrompue d'une manière telle qu'elle empêche la division cellulaire et la croissance tumorale.
"Les scientifiques ont essayé de comprendre beaucoup de recettes différentes pour essayer de stimuler la cellule avec un champ électrique», dit Pavesi. "En ajustant l'intensité et la fréquence, vous pouvez avoir un effet uniquement sur les cellules cancéreuses, laissant l'autre type de cellules non modifiées, sans les détruire. C'est le concept clé."
Une entreprise, Novocure, a depuis été fondée pour développer des thérapies TTF pour les personnes atteintes de cancer du cerveau et du poumon. Pavesi, qui a été d'aider à concevoir des dispositifs microfluidiques avec Kamm, est venu avec l'idée d'un dispositif pour tester TTF après avoir regardé une conférence TED par le fondateur de Novocure.
"Immédiatement, je me disais:« Ceci est une chose facile que je peux répliquer dans un de mes périphériques », se souvient Pavesi.
gagner du temps
Les chercheurs ont fabriqué le dispositif de PDMS, un polymère largement utilisé, et ils ont modelé de petits canaux à travers le dispositif. Ils ont ensuite développé un mélange conducteur à base de flocons d'argent de taille micronique et de PDMS, qu'ils ont injecté dans deux canaux dans le dispositif pour former deux minuscules électrodes séparées. Dans la région entre les électrodes, on a injecté des hydrogels avece des cellules du sein ou des cellules de cancer du poumon, ainsi que de petites masses tumorales. Les chercheurs ont également injecté des cellules endothéliales humaines saines. Les hydrogels ont créé une matrice en trois dimensions pour simuler l'environnement extracellulaire.
L'équipe a soumis chaque type de cellule dans la matrice 3-D à des champs électriques alternatifs à des fréquences de 150 ou de 200 kilohertz, de façon continue, à une intensité de 1,1 volts par centimètre.
En l'absence d'un champ électrique, Pavesi dit que les cellules cancéreuses commencent à proliférer et à se propager dans les deux jours. Cependant, il Adriani et observe un ralentissement significatif de la progression des tumeurs après trois jours de stimulation continue du champ électrique: La prolifération a été fortement réduite, tandis que de petites masses de cellules de cancer du poumon ne se dispersent pas indiquant une inhibition de leur potentiel métastatique. De plus, les cellules endothéliales saines dans le même dispositif ont été laissés inchangés. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que les cellules saines peuvent exiger des fréquences différentes pour être influencées par un champ électrique, comme leur taille et les propriétés électriques sont bien différente de celle des cellules cancéreuses.
Adriani espère que le dispositif microfluidique peut aider les scientifiques à tester une large gamme d'intensités et fréquences de champ électrique sur d'autres types de cellules cancéreuses. Alors que la thérapie TTF a été approuvé par la Food and Drug Administration pour le traitement des tumeurs du cerveau, que le processus d'approbation a fallu des années pour tester les champs électriques, d'abord in vitro, puis chez les animaux et chez les humains. Pavesi dit un dispositif microfluidique pourrait accélérer ce processus.
"Peut-être par criblage TTF pour optimiser la fréquence et de l'intensité, vous pouvez au moins réduire le temps qu'il faut pour les études in vivo», dit Pavesi. "Il peut y avoir des milliers de variables, mais vous pourriez d'abord les essayer dans cet appareil. Si vous trouvez 10 qui fonctionnent, vous pouvez aller de l'avant et essayer les 10 dans le modèle animal."
"Pour la médecine personnalisée, vous pouvez tester si une recette qui fonctionne pour une personne en particulier», dit Adriani. "En trois jours, vous pouvez avoir une réponse. Et pour de nombreux patients atteints de cancer qui meurent de métastases, le temps est tout."
Sujet: Re: Traiter les cellules cancéreuses avec un champ électrique. 
Mer 6 Juil 2016 - 17:44
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