Устройство WPI использует антитела, прикрепленные к массиву углеродных нанотрубок на дне крошечной лунки. Раковые клетки оседают на дно лунки, где они выборочно связываются с антителами на основе их поверхностных маркеров (в отличие от других устройств, чип также может улавливать крошечные структуры, называемые экзосомами, продуцируемые раковыми клетками). Эта «жидкая биопсия», описанная в недавнем выпуске журнала Nanotechnology, может стать основой простого лабораторного теста, который может быстро обнаружить ранние признаки метастазов и помочь врачам выбрать лечение, направленное на конкретные идентифицированные раковые клетки.
Метастазирование — это процесс, при котором рак может распространяться из одного органа в другие части тела, обычно попадая в кровоток. Различные типы опухолей демонстрируют предпочтение определенных органов и тканей; например, циркулирующие клетки рака груди могут укорениться в костях, легких и головном мозге.
Прогноз для метастатического рака (также называемого раком IV стадии) обычно плохой, поэтому метод, который может обнаружить эти циркулирующие опухолевые клетки до того, как у них появится шанс сформировать новые колонии опухолей в отдаленных местах, может значительно увеличить шансы на выживание пациента.«Акцент на захват циркулирующих опухолевых клеток является довольно новым», — сказал Баладжи Панчапакесан, доцент кафедры машиностроения WPI и директор лаборатории малых систем. «Это очень сложная задача, похожая на поиск иголки в стоге сена. Среди них плавают миллиарды красных кровяных телец, десятки тысяч лейкоцитов и, возможно, лишь небольшое количество опухолевых клеток. Мы показал, как эти клетки могут быть захвачены с высокой точностью ».
Устройство, разработанное командой Панчапакесана, включает в себя множество крошечных элементов, каждый размером около одной десятой дюйма (3 миллиметра) в поперечнике. Каждый элемент имеет лунку, на дне которой находятся антитела, прикрепленные к углеродным нанотрубкам. В каждой лунке содержится определенное антитело, которое будет избирательно связываться с одним типом раковых клеток в зависимости от генетических маркеров на его поверхности.
Посев элементов с набором антител, устройство может быть настроено для захвата нескольких различных типов раковых клеток с использованием одного образца крови. В лаборатории исследователи смогли заполнить в общей сложности 170 лунок, используя чуть менее 0,3 жидких унций (0,85 миллилитра) крови. Даже с этой небольшой выборкой они захватили от одной до тысячи ячеек на устройство с эффективностью захвата от 62 до 100 процентов.
Углеродные нанотрубки, используемые в устройстве, действуют как полупроводники. Когда раковая клетка связывается с одним из прикрепленных антител, она создает электрическую сигнатуру, которую можно обнаружить. Эти сигналы можно использовать для определения того, какие элементы в массиве захватили раковые клетки. Эти отдельные массивы затем могут быть удалены и доставлены в лабораторию, где захваченные клетки могут быть окрашены и идентифицированы под микроскопом.
По словам Панчапакесана, в лаборатории процесс связывания и генерации электрической подписи занял всего несколько минут, что предполагает возможность получения результатов анализа крови с помощью чипа в тот же день.В статье, опубликованной в журнале Nanotechnology [«Статическая изоляция микромассивов, классификация динамических временных рядов, захват и подсчет клеток рака молочной железы с шипами в крови: чип нанотрубок-СТС»], команда Панчапакесана, в которую входят аспиранты Фархад Хосрави, ведущий автор статьи и исследователи из Университета Луисвилля и Университета Томаса Джефферсона описывают исследование, в котором антитела, специфичные для двух маркеров метастатического рака груди, EpCam и Her2, были прикреплены к углеродным нанотрубкам в чипе. Когда образец крови, в который были добавлены клетки, экспрессирующие эти маркеры, был помещен на чип, было показано, что устройство надежно захватывает только отмеченные клетки.
По словам Панчапакесана, помимо захвата опухолевых клеток, чип также будет захватывать крошечные структуры, называемые экзосомами, которые производятся раковыми клетками и несут те же маркеры. «Эти трудноуловимые 3-нанометровые структуры слишком малы, чтобы их можно было уловить с помощью других типов устройств для жидкой биопсии, таких как микрофлюидика, из-за сил сдвига, которые потенциально могут их разрушить», — отметил он. «Наш чип в настоящее время является единственным устройством, которое потенциально может захватывать циркулирующие опухолевые клетки и экзосомы непосредственно на чипе, что должно повысить его способность обнаруживать метастазы. Это может быть важно, поскольку новые данные свидетельствуют о том, что крошечные белки, выделяемые с экзосомами, могут вызывать реакции, которые могут стать серьезным препятствием на пути к эффективной доставке и лечению противораковых лекарств ».
Панчапакесан сказал, что чип, разработанный его командой, имеет дополнительные преимущества по сравнению с другими устройствами для жидкой биопсии, большинство из которых используют микрофлюидику для захвата раковых клеток. Помимо способности захватывать циркулирующие опухолевые клетки гораздо более эффективно, чем микрожидкостные чипы (в которых клетки должны фиксироваться на закрепленных антителах, когда они проходят в потоке движущейся жидкости), устройство WPI также очень эффективно для отделения раковых клеток от другие клетки и материалы в крови в результате дифференцированного оседания.«В частности, белые кровяные тельца представляют собой проблему, потому что их довольно много в крови, и их можно ошибочно принять за раковые клетки», — сказал он. «В нашем устройстве используется так называемая стратегия пассивного истощения лейкоцитов.
Из-за разницы в плотности раковые клетки имеют тенденцию оседать на дно лунок (и это происходит только в узком окне), где они сталкиваются с антителами. Остальная часть кровь остается в верхней части лунок и может быть просто смыта ».Хотя первоначальные тесты с чипом были сосредоточены на раке груди, Панчапакесан говорит, что устройство может быть настроено для обнаружения широкого спектра типов опухолей, и уже разрабатываются планы по разработке усовершенствованного устройства, а также тестирование на другие виды рака. типы, включая рак легких и поджелудочной железы. Он говорит, что представляет себе день, когда такое устройство, как его, можно было бы использовать не только для регулярного наблюдения за пациентами, у которых был рак, но и для обычного скрининга на рак.
«Представьте, что вы идете к врачу на ежегодный медосмотр», — сказал он. «У вас взяли кровь, и этот образец крови можно проверить на наличие широкого спектра маркеров раковых клеток. Раковые заболевания будут обнаружены на самой ранней стадии и других стадиях развития, и врачи будут располагать необходимой белковой или генетической информацией из этих захваченных клеток. чтобы настроить лечение на основе конкретных маркеров вашего рака. Это действительно был бы способ поставить свое здоровье в свои руки ».