Til vejledning af kræftbehandling, enheden tester hurtigt medicin på tumorvæv

MIT-forskere har 3D-trykt en ny mikrofluid-enhed, der simulerer kræftbehandlinger på biopsieret tumorvæv, så klinikere bedre kan undersøge, hvordan individuelle patienter vil reagere på forskellige terapier - inden de administrerer en enkelt dosis.

Testning af kræftbehandlinger i dag afhænger mest af forsøg og fejl; patienter kan gennemgå flere tidskrævende og svært at tolerere behandlinger i jakten på en, der virker. Nylige innovationer inden for farmaceutisk udvikling involverer dyrkning af kunstige tumorer for at teste lægemidler på bestemte kræftformer. Men disse modeller tager uger at vokse og tager ikke højde for den enkelte patients biologiske sammensætning, som kan påvirke behandlingseffekten.

Forskernes enhed, som kan udskrives på cirka en time, er en chip lidt større end en fjerdedel, med tre cylindriske "skorstene", der stiger fra overfladen. Disse er porte, der bruges til at indlæse og dræne væsker, samt fjerne uønskede luftbobler. Biopsierede tumorfragmenter placeres i et kammer forbundet til et netværk af kanaler, der leverer væsker - indeholdende, for eksempel, immunterapimidler eller immunceller - til vævet. Klinikere kan derefter bruge forskellige billeddannelsesteknikker til at se, hvordan vævet reagerer på stofferne.

En vigtig funktion var at bruge en ny biokompatibel harpiks-traditionelt brugt til tandlægning-der kan understøtte langsigtet overlevelse af biopsieret væv. Selvom tidligere 3D-trykte mikrofluidikere har lovet at teste lægemidler, kemikalier i deres harpiks dræber normalt celler hurtigt. Forskerne fangede fluorescensmikroskopibilleder, der viser deres enhed, kaldet en tumoranalyseplatform (TAP), holdt mere end 90 procent af tumorvævet i live i mindst 72 timer, og muligvis meget længere.

Fordi den 3D-trykte enhed er let og billig at fremstille, det kunne hurtigt implementeres i kliniske rammer, siger forskerne. Læger kunne, for eksempel, udskrive en multiplexet enhed, der kunne understøtte flere tumorprøver parallelt, at muliggøre modellering af interaktionerne mellem tumorfragmenter og mange forskellige lægemidler, samtidigt, for en enkelt patient.

"Folk overalt i verden kunne udskrive vores design. Du kan forestille dig en fremtid, hvor din læge vil have en 3D-printer og kan udskrive enhederne efter behov, "siger Luis Fernando Velásquez-García, en forsker i Microsystems Technology Laboratories og medforfatter på et papir, der beskriver enheden, som fremgår af december -udgaven af ​​Journal of Microelectromechanical Systems. "Hvis nogen har kræft, du kan tage lidt væv i vores enhed, og holde tumoren i live, at køre flere tests parallelt og finde ud af, hvad der ville fungere bedst med patientens biologiske makeup. Og implementer derefter den behandling hos patienten. "

En lovende ansøgning tester immunterapi, en ny behandlingsmetode, der bruger visse lægemidler til at øge en patients immunsystem for at hjælpe med at bekæmpe kræft. (Årets nobelpris i fysiologi eller medicin blev tildelt to immunterapiforskere, der designede lægemidler, der blokerer visse proteiner i at forhindre immunsystemet i at angribe kræftceller.) Forskernes enhed kunne hjælpe læger med bedre at identificere behandlinger, som et individ sandsynligvis vil svare.

"Immunterapibehandlinger er specielt udviklet til at målrette mod molekylære markører, der findes på overfladen af ​​kræftceller. Dette er med til at sikre, at behandlingen direkte fremkalder et angreb på kræften, samtidig med at den begrænser negative virkninger på sundt væv. Men ethvert individs kræft udtrykker en unik række overflademolekyler - som sådan, det kan være svært at forudsige, hvem der vil reagere på hvilken behandling. Vores enhed bruger personens faktiske væv, så det passer perfekt til immunterapi, "siger første forfatter Ashley Beckwith SM '18, en kandidatforsker i Velásquez-García's forskningsgruppe.

Medforfatter på papiret er Jeffrey T. Borenstein, en forsker på Draper.

Understøttende celler

Mikrofluidika -enheder fremstilles traditionelt via mikromoldning, ved hjælp af et gummilignende materiale kaldet polydimethylsiloxan (PDMS). Denne teknik, imidlertid, var ikke egnet til at oprette det tredimensionelle netværk af funktioner-såsom omhyggeligt store væskekanaler-der efterligner kræftbehandlinger på levende celler. I stedet, forskerne vendte sig til 3D-udskrivning for at fremstille en fint udstyret enhed "monolitisk"-hvilket betyder at udskrive et objekt på én gang, uden behov for at samle separate dele.

Hjertet i enheden er dens harpiks. Efter at have eksperimenteret med talrige harpikser i flere måneder, forskerne landede endelig på Pro3dure GR-10, som primært bruges til at lave mundskærme, der beskytter mod tandslibning. Materialet er næsten lige så gennemsigtigt som glas, har næsten ingen overfladefejl, og kan udskrives i meget høj opløsning. Og, vigtigt, som forskerne fastslog, det påvirker ikke celleoverlevelse negativt.

Holdet udsatte harpiksen for en 96-timers cytotoksicitetstest, et assay, der udsætter cellerne for det trykte materiale og måler, hvor giftigt det materiale er for cellerne. Efter de 96 timer, cellerne i materialet sparkede stadig. "Når du udskriver nogle af disse andre harpiksmaterialer, de udsender kemikalier, der roder med celler og dræber dem. Men det gør det ikke, "Siger Velasquez-Garcia." Så vidt jeg ved, der er intet andet printbart materiale, der kommer tæt på denne grad af inertitet. Det er som om materialet ikke er der. "

Indstilling af fælder

To andre vigtige innovationer på enheden er "boblefælden" og en "tumorfælde". Strømmende væsker ind i en sådan enhed skaber bobler, der kan forstyrre eksperimentet eller briste, frigiver luft, der ødelægger tumorvæv.

For at rette op på det, forskerne skabte en boblefælde, en kraftig "skorsten", der stiger fra væskekanalen og ind i en gevindskåret port, hvorigennem luft slipper ud. Væske - herunder forskellige medier, fluorescerende markører, eller lymfocytter - bliver injiceret i en indløbsport ved siden af ​​fælden. Væsken kommer ind gennem indløbsporten og strømmer forbi fælden, hvor eventuelle bobler i væsken stiger op gennem gevindporten og ud af enheden. Væske føres derefter rundt om en lille U-drejning ind i tumorens kammer, hvor det flyder gennem og omkring tumorfragmentet.

Dette tumor-fangende kammer sidder i skæringspunktet mellem den større indløbskanal og fire mindre udløbskanaler. Tumorfragmenter, mindre end 1 millimeter på tværs, injiceres i indløbskanalen via boblefælden, som hjælper med at fjerne bobler, der indføres ved ilægning. Når væske strømmer gennem enheden fra indløbsporten, tumoren ledes nedstrøms til tumorfælden, hvor fragmentet bliver fanget. Væsken fortsætter med at bevæge sig langs udløbskanalerne, som er for små til at tumoren kan passe indeni, og drænes ud af enheden. En kontinuerlig strøm af væsker holder tumorfragmentet på plads og fylder konstant næringsstoffer op for cellerne.

"Fordi vores enhed er 3D-trykt, vi var i stand til at lave de geometrier, vi ønskede, i de materialer, vi ønskede, for at opnå den præstation, vi ønskede, i stedet for at gå på kompromis mellem det, der blev designet og det, der kunne implementeres - hvilket typisk sker ved brug af standard mikrofabrikation, "Siger Velásquez-García. Han tilføjer, at 3D-print snart kan blive den almindelige fremstillingsteknik til mikrofluidik og andre mikrosystemer, der kræver komplekse designs.

I dette eksperiment, forskerne viste, at de kunne holde et tumorfragment i live og overvåge vævets levedygtighed i realtid med fluorescerende markører, der får vævet til at lyse. Næste, forskerne sigter mod at teste, hvordan tumorfragmenterne reagerer på ægte terapeutiske midler.

"Det traditionelle PDMS kan ikke lave de strukturer, du har brug for til dette in vitro -miljø, der kan holde tumorfragmenter i live i en betragtelig periode, "siger Roger Howe, professor i elektroteknik ved Stanford University, som ikke var involveret i forskningen. "At du nu kan lave meget komplekse fluidiske kamre, der giver mulighed for mere realistiske miljøer til hurtigt at teste forskellige lægemidler på tumorer, og potentielt i kliniske omgivelser, er et stort bidrag. "

Howe roste også forskerne for at have gjort benene i at finde den rigtige harpiks og design, som andre kan bygge videre på. "De bør krediteres for at have lagt disse oplysninger derude ... fordi [tidligere] der ikke var viden om, hvorvidt du havde materialer eller trykningsteknologi til at gøre dette muligt, "siger han. Nu" er det en demokratiseret teknologi. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.