Desarrollo de una técnica basada en mediciones de impedancia eléctrica para la discriminación in vitro entre células cancerosas y no cancerosas

Abstract

El contenido de este trabajo abarca el desarrollo y la implementación de una técnica que permite discriminar células normales de cancerosas a partir de mediciones de impedancia eléctrica de cultivos celulares in vitro.La primera parte de esta investigación se enfoca en el análisis de cultivos celulares individuales, es decir, de células normales y cancerosas por separado, empleando microelectrodos comerciales para las mediciones. En primer lugar, se estudia el proceso de muerte celular en ensayos de herida y cicatrización a partir de mediciones de impedancia eléctrica. Para ello, se desarrolla una técnica de medición que permite registrar la dinámica de la muerte celular inducida por corrientes eléctricas elevadas, y se extrae información relevante para el objetivo de discriminación propuesto. Luego, en base a una serie de ensayos realizados sobrecélulas normales y cancerosas, se diseña un conjunto de mediciones que permiten extraer parámetros característicos de ambas y se desarrolla un protocolo de medición separado en 4 fases asociadas a diferentes estados de un cultivo celular in vitro: crecimiento, confluencia, herida y cicatrización. Utilizando el conjunto de parámetros característicos más relevantes, se emplea un algoritmo de aprendizaje automático para discriminar entre células normales y cancerosas y se analizan los errores cometidos. Los resultados muestran que la técnica desarrollada es muy efectiva.En la segunda parte del trabajo, se desarrolla un sistema de medición destinado a analizar cultivos celulares mixtos, es decir, de células normales y cancerosas mezcladas. En primer lugar, se describe el diseño y la fabricación de arreglos de microelectrodos adecuados para las mediciones propuestas. Se presentan resultados de mediciones realizadas con microelectrodos fabricados con el material estándar oro y también las primeras mediciones realizadas con una aleación de oro/cobre. A su vez, se desarrolla un protocolo detallado de microfabricación que se espera pueda ser utilizado como base para trabajos futuros. Luego, se implementa la técnica desarrollada en la primera parte del trabajo para discriminar células normales de cancerosas en cultivos individuales utilizando los microelectrodos fabricados, y se estudia el efecto del tamaño de los mismos en la capacidad discriminante. Finalmente, se emplean estos resultados para evaluar la detección de células cancerosas en un cultivo mixto que contiene también células normales. En base a los resultados obtenidos, se propone un indicador que podría ser utilizado como soporte en el proceso de diagnóstico de cáncer.

The content of this work covers the development and implementation of a technique based on electrical impedance measurements to discriminate between normal and cancerous cells cultured in vitro. The first part of this research focuses on the analysis of individual cell cultures, i.e. of normal and cancerous cells separately, using commercial microelectrodes for carrying out the measurements. First, the process of cell death during impedance-based wound-healing assays is studied. For this purpose, a measurement technique is developed that allows to register the cell death dynamics induced by high electric currents. Relevant information is thus extracted which results useful to achieve discrimination between different cell types. Then, based on a series of tests performed on normal and cancerous cells, a set of measurements is designed to extract characteristic parameters of both cell types and a measurement protocol is developed. This protocol is divided in 4 phases associated with different states of an in vitro cell culture: growth, confluence, wound and healing. Using the most relevant set of characteristic parameters, a machine learning algorithm is employed to discriminate between normal and cancerous cells. The results show that the developed technique is very effective. The second part of this work covers the development of a measurement system designed to analyze mixed cell cultures, i.e. of normal and cancerous cells together. First, the design and manufacture of microelectrode arrays suitable for the proposed measurements are described. Results of measurements carried out on microelectrodes made of gold (standard material) and gold/copper (alternative material) ar presented. In addition, a detailed microfabrication protocol is developed that is expected to be used as a basis for future work. Then, the technique developed in the first part of the work to discriminate between normal and cancerous cells in individual cultures is implemented with the manufactured microelectrodes, and the effect of their size on the discriminant capacity is studied. Finally, these results are used to evaluate the detection of cancer cells in a mixed culture. Based on the results obtained, an indicator is proposed that could be used as support on cancer diagnostic procedures.