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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13798 (2022) Citar este artigo

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A leucaférese, a separação extracorpórea de glóbulos brancos (WBCs) de glóbulos vermelhos (RBCs) e plaquetas (PLTs), é um procedimento salva-vidas usado no tratamento de pacientes com câncer e outras condições, e como o passo inicial na fabricação de terapias celulares e baseadas em genes. Bem tolerada por adultos, a leucaférese representa um risco significativo para neonatos e lactentes de baixo peso porque o volume extracorpóreo (VCE) das máquinas padrão baseadas em centrifugação representa uma fração particularmente grande do volume total de sangue desses pacientes. Aqui descrevemos um novo dispositivo microfluídico de alto rendimento (com um volume vazio de 0,4 mL) baseado na tecnologia de filtração incremental controlada (CIF) que pode substituir a centrifugação para a realização de leucaférese. O dispositivo CIF foi testado extensivamente usando sangue total de voluntários saudáveis em múltiplos hematócritos (5–30%) e taxas de fluxo (10–30 mL/min). No regime de fluxo contínuo, o dispositivo CIF separou leucócitos com eficiência > 85% e perda de 10 a 15% de hemácias e PLTs durante o processamento de sangue total diluído com solução salina a 10% de hematócrito a uma taxa de fluxo de 10 mL/min. No regime de recirculação, o dispositivo CIF demonstrou um nível semelhante de desempenho de separação, praticamente esgotando os glóbulos brancos no sangue recirculante (~ 98% de redução) ao final de um procedimento de leucaferese simulada de 3,5 horas. É importante ressaltar que o dispositivo operou sem entupimento ou declínio no desempenho de separação, com ativação mínima de WBCs e PLTs e nenhum dano mensurável aos RBCs. Em comparação com os parâmetros típicos da leucaférese baseada em centrifugação, o dispositivo CIF tinha um volume vazio pelo menos 100 vezes menor, removia WBCs duas vezes mais rápido e perdia ~ 2 a 3 vezes menos PLTs, enquanto operava em uma taxa de fluxo compatível com a prática atual. O hematócrito e a taxa de fluxo em que o dispositivo CIF operou foram significativamente maiores do que os publicados anteriormente para outros métodos de separação de células microfluídicas. Finalmente, este estudo é o primeiro a demonstrar uma separação altamente eficiente de células do sangue recirculante usando um dispositivo microfluídico. No geral, essas descobertas sugerem a viabilidade do uso da tecnologia de separação de células microfluídicas de alto rendimento para permitir a leucaférese de baixo ECV sem centrifugação. Tal capacidade seria particularmente útil em crianças pequenas, um grupo vulnerável de pacientes atualmente mal atendidos.

A leucaférese é um procedimento médico complexo durante o qual o sangue de um paciente é passado por uma máquina de aférese para coletar glóbulos brancos (WBCs) e devolver glóbulos vermelhos (RBCs) e plaquetas (PLTs) ao paciente1,2. A leucaférese permite duas aplicações potencialmente salvadoras: leucodepleção e coleta de glóbulos brancos. A leucodepleção pode ser usada para reduzir uma contagem de glóbulos brancos perigosamente alta em pacientes com leucemia3,4 ou para remover glóbulos brancos ativados como um tratamento livre de drogas para doença inflamatória intestinal5,6,7 e outras condições8,9. A coleta de leucócitos via leucaferese é a etapa inicial na fabricação de uma ampla variedade de terapias celulares2, incluindo infusão de granulócitos10,11, imunoterapias adotivas12,13,14,15, transplante de células-tronco hematopoiéticas16,17,18 e novos tratamentos baseados em genes19,20 .

Embora geralmente bem tolerado por adultos e crianças mais velhas, a realização de leucaférese em neonatos e lactentes de baixo peso é tecnicamente desafiadora e clinicamente arriscada. Atualmente, a leucaférese é realizada usando máquinas de aférese baseadas em centrifugação, que têm um volume extracorpóreo substancial (ECV) tipicamente variando de 150 a 250 mL (excluindo qualquer tubo adicional para conectar ao paciente)2,21, enquanto o volume total de sangue (TBV) de uma criança de 10 kg tem apenas ~ 750 mL22,23. Como o ECV representa uma fração tão grande de sua TBV, os pacientes pediátricos apresentam uma incidência significativamente maior de complicações graves associadas ao procedimento de leucaférese, incluindo hipotensão, hipocalcemia sintomática, reações alérgicas, trombose relacionada ao cateter, infecções, anemia grave e até morte21 ,24,25,26,27,28. Em princípio, os leucócitos também podem ser separados usando um filtro regular de leucorredução29,30 ou uma coluna preenchida com grânulos de acetato de celulose que adsorvem seletivamente granulócitos e monócitos ativados6. No entanto, a capacidade de separação desses dispositivos é limitada por seu tamanho físico, os glóbulos brancos aprisionados pelos dispositivos continuam a liberar citocinas pró-inflamatórias na corrente sanguínea e a recuperação de glóbulos brancos aprisionados via retrolavagem é bastante modesta6,29,30.

85% of WBCs (with < 30% loss of RBCs and PLTs) from the mononuclear cell (MNC) concentrates (~ 5% HCT) at flow rates of up to 30 mL/min46 and PLTs concentrated and leukoreduced using CIF were minimally activated43,44. Notwithstanding these significant advancements, none of the aforementioned devices have been tested in the recirculation regime for any significant amount of time, and the effects of such processing on blood cells and device performance remain largely unknown./p> 85% efficiency of WBC removal (with only 10–15% loss of RBCs and PLTs) while processing diluted whole blood with 10% HCT at a flow rate of 10 mL/min. When tested in the recirculation regime, the device operated without clogging or any decline in separation performance, with minimal activation of WBCs and PLTs and no measurable damage to RBCs over the entire duration of a 3.5-hour simulated leukapheresis procedure. The WBC concentration in the recirculating blood declined exponentially, decreasing ~ 98% by the end of the procedure./p>

80% efficiency while operating in the recirculation regime for > 3 hours without a noticeable decline in separation performance and with minimal effect on cell properties. Additionally, the current device operated optimally at an HCT that was 2 times higher, and with RBC and PLT loss that was 2–3 times lower, than in any of our previous reports46./p> 80%), blood would have to be diluted to 10% HCT before entering the device and then concentrated back to its native HCT before returning to the patient. Such hemoconcentration is performed routinely during pediatric cardiopulmonary bypass and extracorporeal membrane oxygenation to remove excess fluids, using devices with excellent biocompatibility and minimal void volume (e.g., 8 mL, Hemocor HPH Junior, Minntech Corp., Minneapolis, MN) at flow rates compatible with leukapheresis (as high as 100 mL/min)51. The decline in separation performance of the device at higher HCTs could be explained by the increasing number of stochastic cell–cell interactions and the deviation of the apparent viscosity of blood in the channels from the model we used when designing the device, both of which become more pronounced with increasing HCT46,52,53. Additional research to address these factors will be needed to further increase the CIF separation efficiency at higher HCTs./p> 3 h, which is the typical duration of a conventional leukapheresis procedure1,17,54,62. This finding is particularly significant because any device intended for leukapheresis must be able to process recirculating blood over an extended period of time./p>