Forskere bygger flydende biopsi -chip, der registrerer metastatiske kræftceller i blod

En chip udviklet af mekaniske ingeniører ved Worcester Polytechnic Institute (WPI) kan fange og identificere metastatiske kræftceller i en lille mængde blod hentet fra en kræftpatient. Gennembrudsteknologien anvender en simpel mekanisk metode, der har vist sig at være mere effektiv til at fange kræftceller end den mikrofluidiske tilgang, der anvendes i mange eksisterende enheder.

WPI -enheden bruger antistoffer knyttet til en række kulstofnanorør i bunden af ​​en lille brønd. Kræftceller sætter sig til bunden af ​​brønden, hvor de selektivt binder til antistofferne baseret på deres overflademarkører (i modsætning til andre enheder, chippen kan også fange små strukturer kaldet exosomer produceret af kræftceller). Denne "flydende biopsi, "beskrevet i et nyligt nummer af tidsskriftet Nanoteknologi , kunne blive grundlaget for en simpel laboratorietest, der hurtigt kunne opdage tidlige tegn på metastase og hjælpe læger med at vælge behandlinger målrettet mod de specifikke identificerede kræftceller.

Metastase er den proces, hvorved en kræft kan sprede sig fra et organ til andre dele af kroppen, typisk ved at komme ind i blodbanen. Forskellige typer tumorer viser en præference for bestemte organer og væv; cirkulerende brystkræftceller, for eksempel, sandsynligvis vil slå rod i knogler, lunger, og hjernen. Prognosen for metastatisk kræft (også kaldet stadium IV -kræft) er generelt dårlig, så en teknik, der kunne opdage disse cirkulerende tumorceller, før de har en chance for at danne nye kolonier af tumorer på fjerne steder, kan i høj grad øge en patients overlevelsesodds.

"Fokus på at fange cirkulerende tumorceller er ganske nyt, "sagde Balaji Panchapakesan, lektor i maskinteknik på WPI og direktør for Small Systems Laboratory. ”Det er en meget vanskelig udfordring, ikke ulig at lede efter en nål i en høstak. Der er milliarder af røde blodlegemer, titusinder af hvide blodlegemer, og, måske, kun et lille antal tumorceller flyder blandt dem. Vi har vist, hvordan disse celler kan fanges med høj præcision. "

Enheden udviklet af Panchapakesans team indeholder en række små elementer, hver cirka en tiendedel af en tomme (3 millimeter) på tværs. Hvert element har en brønd, i bunden af ​​disse er antistoffer knyttet til carbon nanorør. Hver brønd har et specifikt antistof, der selektivt vil binde til en type kræftcelletype, baseret på genetiske markører på dens overflade. Ved såning af elementer med et sortiment af antistoffer, enheden kunne konfigureres til at indfange flere forskellige kræftcelletyper ved hjælp af en enkelt blodprøve. I laboratoriet, forskerne var i stand til at fylde i alt 170 brønde ved hjælp af knap 0,3 fluid ounces (0,85 milliliter) blod. Selv med den lille prøve, de fangede mellem en og tusind celler pr. enhed, med en optagelseseffektivitet på mellem 62 og 100 procent.

Carbon nanorørene, der bruges i enheden, fungerer som halvledere. Når en kræftcelle binder sig til et af de vedhæftede antistoffer, det skaber en elektrisk signatur, der kan detekteres. Disse signaler kan bruges til at identificere hvilke af elementerne i arrayet, der har fanget kræftceller. Disse individuelle arrays kan derefter fjernes og bringes til et laboratorium, hvor de fangede celler kan farves og identificeres under et mikroskop. I laboratoriet, bindings- og elektrisk signaturgenereringsproces tog kun et par minutter, tyder på muligheden for at få samme dag resultater fra en blodprøve ved hjælp af chippen, Siger Panchapakesan.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nanoteknologi , Panchapakesans team, som omfatter kandidatstuderende Farhad Khosravi, papirets hovedforfatter, og forskere ved University of Louisville og Thomas Jefferson University, beskrive en undersøgelse, hvor antistoffer specifikke for to markører for metastatisk brystkræft, EpCam og Her2, blev fastgjort til carbon nanorørene i chippen. Når en blodprøve, der var blevet "pigget" med celler, der udtrykker disse markører, blev placeret på chippen, det viste sig, at enheden kun pålideligt fangede de markerede celler.

Udover at fange tumorceller, Panchapakesan siger, at chippen også vil låse fast på bittesmå strukturer kaldet exosomer, som produceres af kræftceller og bærer de samme markører. "Disse meget undvigende 3-nanometer-strukturer er for små til at blive fanget med andre typer flydende biopsiapparater, såsom mikrofluidika, på grund af forskydningskræfter, der potentielt kan ødelægge dem, "bemærkede han." Vores chip er i øjeblikket den eneste enhed, der potentielt kan fange cirkulerende tumorceller og exosomer direkte på chippen, hvilket skulle øge dets evne til at opdage metastaser. Dette kan være vigtigt, fordi nye beviser tyder på, at bittesmå proteiner, der udskilles med exosomer, kan drive reaktioner, der kan blive store barrierer for effektiv levering og behandling af kræftmedicin. "

Panchapakesan sagde, at chippen udviklet af hans team har yderligere fordele i forhold til andre flydende biopsi -enheder, hvoraf de fleste bruger mikrofluidika til at fange kræftceller. Ud over at være i stand til at fange cirkulerende tumorceller langt mere effektivt end mikrofluidiske chips (hvor celler skal låse sig fast på forankrede antistoffer, når de passerer forbi i en strøm af bevægelig væske), WPI -enheden er også yderst effektiv til at adskille kræftceller fra de andre celler og materiale i blodet gennem differentiel bundfældning.

"Hvide blodceller, i særdeleshed, er et problem, fordi de er ret mange i blodet, og de kan forveksles med kræftceller, "sagde han." Vores enhed bruger det, der kaldes en passiv leukocytudtømningsstrategi. På grund af tæthedsforskelle, kræftcellerne har en tendens til at slå sig ned til bunden af ​​brøndene (og dette sker kun i et smalt vindue), hvor de støder på antistofferne. Resten af ​​blodindholdet forbliver øverst i brøndene og kan simpelthen vaskes væk. "

Mens de første tests med chippen har fokuseret på brystkræft, Panchapakesan siger, at enheden kunne konfigureres til at detektere en lang række tumortyper, og der er allerede planer om udvikling af en avanceret enhed samt test for andre kræftformer, herunder kræft i lunge og bugspytkirtel. Han siger, at han forestiller sig en dag, hvor en enhed som hans kunne bruges ikke kun til regelmæssig opfølgning af patienter, der har haft kræft, men i rutinemæssig kræftscreening.

"Forestil dig at gå til lægen for din årlige fysiske, "sagde han." Du har taget blod, og den ene blodprøve kan testes for en omfattende række kræftcellemarkører. Kræft ville blive fanget i deres tidligste fase og andre udviklingsstadier, og læger ville have den nødvendige protein eller genetiske information fra disse fangede celler til at tilpasse din behandling baseret på de specifikke markører for din kræft. Dette ville virkelig være en måde at lægge dit helbred i dine egne hænder. "