Medir a densidade de uma célula pode revelar muito sobre seu estado. À medida que as células proliferam, se diferenciam ou morrem, elas podem ganhar ou perder água e outras moléculas, o que é revelado por mudanças na densidade.

Rastrear essas pequenas mudanças no estado físico das células é difícil de ser feito em larga escala, especialmente com resolução de célula única, mas uma equipe de pesquisadores do MIT agora encontrou uma maneira de medir a densidade celular de forma rápida e precisa — medindo até 30.000 células em uma única hora.

Os pesquisadores também mostraram que mudanças de densidade podem ser usadas para fazer previsões valiosas, incluindo se células imunes, como as células T, foram ativadas para matar tumores ou se as células tumorais são suscetíveis a um medicamento específico.

“Todas essas previsões são baseadas na observação de mudanças muito pequenas nas propriedades físicas das células, o que pode indicar como elas vão responder”, afirma Scott Manalis, professor de Engenharia David H. Koch nos departamentos de Engenharia Biológica e Engenharia Mecânica, e membro do Instituto Koch de Pesquisa Integrativa do Câncer.

Manalis é a autora sênior do novo estudo, publicado hoje na Nature Biomedical Engineering . O autor principal do artigo é o cientista pesquisador do MIT Weida (Richard) Wu.

À medida que as células entram em novos estados, seus conteúdos moleculares, incluindo lipídios, proteínas e ácidos nucleicos, podem se tornar mais ou menos aglomerados. Medir a densidade de uma célula oferece uma visão indireta desse aglomerado.

A nova técnica de medição de densidade relatada neste estudo baseia-se no trabalho que o laboratório de Manalis vem realizando nas últimas duas décadas em tecnologias para medições de células e partículas minúsculas. Em 2007, seu laboratório desenvolveu um dispositivo microfluídico conhecido como ressonador de microcanais suspenso (SMR), que consiste em um microcanal atravessado por um pequeno cantilever de silício que vibra a uma frequência específica. À medida que uma célula passa pelo canal, a frequência da vibração muda ligeiramente, e a magnitude dessa mudança pode ser usada para calcular a massa da célula.

Em 2011, os pesquisadores adaptaram a técnica para medir a densidade celular. Para isso, as células são submetidas ao dispositivo duas vezes, suspensas em dois líquidos de densidades diferentes. A massa flutuante de uma célula (sua massa enquanto flutua no fluido) depende de sua massa e volume absolutos; portanto, medindo duas massas flutuantes diferentes para uma célula, é possível calcular sua massa, volume e densidade.

Essa técnica funciona bem, mas a troca de fluidos e o fluxo de células por cada um deles consome tempo, então ela só pode ser usada para medir algumas centenas de células por vez.

Para criar um sistema mais rápido e simplificado, os pesquisadores combinaram seu dispositivo de SMR com um microscópio de fluorescência, que permite medições do volume celular. O microscópio é posicionado na entrada do ressonador, e as células fluem através do dispositivo enquanto flutuam em um corante fluorescente que não pode ser absorvido pelas células. Quando as células passam pelo microscópio, a queda no sinal fluorescente pode ser usada para determinar o volume da célula.

Após a medição do volume, as células fluem para o ressonador, que mede sua massa. Esse processo, que permite o cálculo rápido da densidade, pode ser usado para medir até 30.000 células por hora.

“Em vez de tentar fazer as células passarem pelo cantilever pelo menos duas vezes para obter a densidade celular, queríamos criar um método para realizar uma medição simplificada, de modo que as células só precisassem passar pelo cantilever uma vez”, diz Wu. “A partir da massa e do volume de uma célula, podemos derivar sua densidade, sem comprometer o rendimento ou a precisão.”

Os pesquisadores usaram sua nova técnica para rastrear o que acontece com a densidade de células T depois que elas são ativadas por moléculas de sinalização.

À medida que as células T transitam de um estado quiescente para um estado ativo, elas ganham novas moléculas, bem como água, descobriram os pesquisadores. Do estado de pré-ativação até o primeiro dia de ativação, a densidade das células caiu de uma média de 1,08 gramas por mililitro para 1,06 gramas por mililitro. Isso significa que as células estão se tornando menos aglomeradas, pois ganham água mais rapidamente do que outras moléculas.

“Isso sugere que a densidade celular provavelmente reflete um aumento no conteúdo de água celular à medida que as células transitam de um estado quiescente e não proliferativo para um estado de alto crescimento”, afirma Wu. “Esses dados apontam para a noção de que a densidade celular é um biomarcador interessante que muda durante a ativação das células T e pode ter relevância funcional para a capacidade de proliferação das células T.”

A Travera, empresa em estágio clínico cofundada por Manalis, está trabalhando no uso das medições de massa por SMR para prever se as células T de pacientes com câncer responderão a medicamentos destinados a estimular uma forte resposta imune antitumoral. A empresa também começou a usar a técnica de medição de densidade, e estudos preliminares constataram que o uso conjunto das medições de massa e densidade proporciona uma previsão muito mais precisa do que o uso de qualquer uma delas isoladamente.

“Tanto a massa quanto a densidade revelam algo sobre a aptidão geral das células imunológicas”, diz Manalis.

Usar medições físicas de células para monitorar sua ativação imunológica "é muito estimulante e pode oferecer uma nova maneira de avaliar e medir mudanças nas células imunológicas em circulação", diz Genevieve Boland, professora associada de cirurgia na Harvard Medical School e vice-presidente de pesquisa do Departamento Integrado de Cirurgia do Mass General Brigham, que não estava envolvida no estudo.

“Este é um método complementar, mas muito diferente daqueles atualmente usados para avaliações imunológicas em câncer e outras doenças, potencialmente oferecendo uma nova ferramenta para auxiliar na tomada de decisões clínicas sobre a necessidade e a escolha de uma terapia específica contra o câncer, permitindo o monitoramento da resposta à terapia e/ou na detecção precoce de efeitos colaterais de terapias baseadas no sistema imunológico”, diz ela.

Outra aplicação potencial dessa abordagem é prever como as células tumorais responderão a diferentes tipos de medicamentos contra o câncer. Em trabalhos anteriores, Manalis demonstrou que o rastreamento das alterações na massa celular após o tratamento pode prever se uma célula tumoral está passando por apoptose induzida por medicamentos. No novo estudo, ele descobriu que a densidade também pode revelar essas respostas.

Nesses experimentos, os pesquisadores trataram células de câncer pancreático com um de dois medicamentos diferentes — um ao qual as células são suscetíveis e outro ao qual elas são resistentes. Eles descobriram que as mudanças na densidade após o tratamento refletiam com precisão as respostas conhecidas das células ao tratamento.

“Capturamos algo sobre as células que é altamente preditivo já nos primeiros dias após a retirada do tumor”, diz Wu. “A densidade celular é um biomarcador rápido para prever a resposta a medicamentos in vivo de forma muito oportuna.”

O laboratório de Manalis agora está trabalhando no uso de medições de massa e densidade celular como uma forma de avaliar a aptidão das células usadas para sintetizar proteínas complexas, como anticorpos terapêuticos.

“À medida que as células produzem essas proteínas, podemos aprender com esses marcadores de aptidão celular e estado metabólico para tentar fazer previsões sobre o quão bem essas células podem produzir essas proteínas e, esperançosamente, no futuro também orientar estratégias de design e controle para melhorar ainda mais o rendimento dessas proteínas complexas”, diz Wu.

A pesquisa foi financiada pelo Paul G. Allen Frontiers Group, pelo Virginia and Daniel K. Ludwig Fund for Cancer Research, pelo MIT Center for Precision Cancer Medicine, pelo Stand up to Cancer Convergence Program, pela Bristol Myers Squibb e pelo Koch Institute Support (core) Grant do National Cancer Institute.