3-D-printet enhed finder nål i en høstak cancerceller ved at fjerne høet

At finde en håndfuld kræftceller, der gemmer sig blandt milliarder af blodceller i en patientprøve, kan være som at finde en nål i en høstak. I en ny tilgang muliggjort af 3-D-printede cellefælder, forskere fjerner høet for at afsløre kræftcellerne.

At fange de hvide blodlegemer - som er omtrent på størrelse med kræftceller - og filtrere mindre røde blodlegemer ud efterlader tumorcellerne, som derefter kunne bruges til at diagnosticere sygdommen, potentielt give tidlig advarsel om recidiv og muliggøre forskning i kræftmetastaseprocessen. Arbejdet, ledet af forskere ved Georgia Institute of Technology, kunne fremme målet om personlig kræftbehandling ved at tillade hurtig og billig adskillelse af tumorceller, der cirkulerer i blodbanen.

"Isolering af cirkulerende tumorceller fra fuldblodsprøver har været en udfordring, fordi vi leder efter en håndfuld kræftceller blandet med milliarder af normale røde og hvide blodlegemer, " sagde A. Fatih Sarioglu, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE). "Med denne enhed, vi kan behandle en klinisk relevant mængde blod ved at fange næsten alle de hvide blodlegemer og derefter filtrere de røde blodlegemer ud efter størrelse. Det efterlader os med ubeskadigede tumorceller, der kan sekventeres for at bestemme den specifikke kræfttype og de unikke egenskaber ved hver patients tumor."

Forskningen blev rapporteret den 20. september i tidsskriftet Lab on a Chip , og blev støttet af et frøbevilling fra Integrated Cancer Research Center ved Georgia Tech.

Andre forsøg på at fange cirkulerende tumorceller har forsøgt at udvinde dem fra blodet ved hjælp af mikrofluidisk teknologi, der genkender specifikke overflademarkører på kræftcellerne. Men fordi kræften kan ændre sig over tid, de ondartede celler kan ikke genkendes med sikkerhed. Og selvom de kan fanges, tumorcellerne skal fjernes fra kredsløbskanaler i enheden og adskilles fra antigenet uden at forårsage skade.

Sarioglu og samarbejdspartnere, inklusive ECE kandidatstuderende og første forfatter Chia-Heng Chu, besluttede at tage en anden tilgang, bygge 3-D-printede fælder foret med antigener for at fange de hvide blodlegemer i en prøve. De 3-D-printede fælder gjorde det muligt for forskerne i høj grad at udvide overfladearealet til at fange de hvide blodlegemer, når de passerer forbi i blodprøver. Zig-zagging væskekanaler, nogle så meget som en halv meter lange, øge sandsynligheden for, at alle hvide blodlegemer kommer i kontakt med en kanalvæg.

"Sædvanlige mikrofluidiske enheder har kun et enkelt lag med kanalhøjder på 50 til 100 mikron, " sagde Sarioglu. "De er tykke, men det meste af det bare tom plastik. Brug af 3-D-print frigør os fra den enkelte kanal og giver os mulighed for at skabe mange kanaler i tre dimensioner, der bedre udnytter rummet."

Mens 3-D udskrivning tillod en stigning i kanaltæthed, der kom med en væsentlig udfordring. Tidligere mikrofluidiske enheder kunne være designet med ætsede kanaler til at bære blodet. Men med 3-D printprocesser, der er fremstillet lag for lag, kanaler skulle fyldes med voks for at gøre det muligt at bygge flere kanaler oven på dem. Den pinefulde kanalstruktur, designet til at maksimere cellevæg interaktion, gjorde det stort set umuligt at få voksen ud efter fremstillingen.

Løsningen var at designe cellefælder, der passer ind i standardcentrifuger designet til at spinde prøver til adskillelse. Fælderne blev opvarmet i centrifugen og derefter centrifugeret for at tillade den smeltede voks at undslippe. Efter fjernelse af den flydende voks, kanalerne modtog antigencoatingen.

Efter at de hvide blodlegemer er fjernet, de mindre røde blodlegemer passerer gennem et simpelt kommercielt filter, der fanger kræftcellerne og eventuelle resterende hvide blodlegemer. Tumorcellerne kan derefter fjernes fra filteret, som er integreret i den 3-D printede enhed.

Minimal behandling af blodprøver er et mål for projektet at gøre processen tilgængelig for klinikker og hospitaler uden at kræve specialiserede teknikerfærdigheder. Mindre bearbejdning reducerer også risikoen for beskadigelse af tumorcellerne og minimerer andre cellulære ændringer, der kan fordreje evalueringen.

Som en del af proof of principprøvningen, forskerne beklædte de hvide blodlegemer med biotin for at fremskynde testningen. Fremtidige cellefælder vil bruge antigener designet til at tiltrække cellerne til kanalvæggene uden biotinbehandlingstrinnet.

Forskerne testede deres tilgang ved at tilføje kræftceller til blod taget fra raske mennesker. Fordi de vidste, hvor mange celler der blev tilføjet, de kunne fortælle, hvor mange de skulle udvinde, og eksperimentet viste, at fælden kunne fange omkring 90 procent af tumorcellerne. Senere test af blodprøver fra prostatacancerpatienter isolerede tumorceller fra en 10-milliliter fuldblodsprøve.

Testen omfattede celler fra prostata, bryst- og æggestokkræft, men Sarioglu mener, at enheden vil fange cirkulerende tumorceller fra enhver form for kræft, fordi fjernelsesmekanismen retter sig mod blodceller i stedet for kræftceller.

Næste trin vil være at indsnævre kanalerne i enheden, test fjernelse af hvide blodlegemer uden brug af biotin, øge procentdelen af ​​ekstraktion af hvide blodlegemer og tilslut cellefælder for at øge indfangningskapaciteten.

"Vi forventer, at dette virkelig vil være et muliggørende værktøj for klinikere, " sagde Sarioglu. "I vores laboratorium, tankegangen er altid mod at oversætte vores forskning ved at gøre enheden enkel nok til at blive brugt på hospitaler, klinikker og andre faciliteter, der vil hjælpe med at diagnosticere sygdom hos patienter."