Устройство размером с монету доллара США разработано, чтобы помочь ученым сузить безопасный диапазон электрических полей для неинвазивного лечения рака груди, легких и других форм рака. Результаты опубликованы в Интернете в Scientific Reports.В число соавторов статьи входят Роджер Камм, заслуженный профессор механической и биологической инженерии Массачусетского технологического института Роджер Камм, а также ученые-исследователи Андреа Павеси и Джулия Адриани, постдок Маджид Эбрахими Варкиани и студент Энди Тай из Альянса Сингапур-Массачусетский технологический институт. для исследований и технологий (SMART).
В состав отчета также внесли вклад старший научный сотрудник Вэй Хсеун Йеап и доцент Сью Ченг Вонг из Сингапурской сети иммунологии.«Мы надеемся, что это устройство вызовет интерес у исследователей, изучающих влияние электрических полей на различные типы рака», — говорит Адриани. «В нашем исследовании мы заметили, что эффект был ограничен раковой клеткой при проверенных частотах и интенсивности, но нам действительно нужно изучить другие клетки и параметры».Электрический рецептВ течение последнего десятилетия ученые экспериментировали с использованием электрических полей для лечения злокачественных клеток в альтернативном лечении рака, которое называется полем лечения опухолей или TTF.
Терапия основана на взаимодействии между ключевыми клеточными структурами опухолей и внешним электрическим полем.В общем, электрическое поле — это поле сил, которые действуют на объекты, имеющие электрический заряд.
Электрическое поле также может влиять на выравнивание полярных молекул в опухолевых клетках, таких как микротрубочки. Обычно эти молекулы имеют решающее значение для деления клеток, которое, когда оно становится чрезмерным, приводит к росту опухоли. Когда микротрубочки выстраиваются в линию, образуя митотическое веретено, генетический материал клетки прикрепляется к волокнам веретена, растягивая и разделяя клетку на две клетки.
В прошлом ученые наблюдали, что эти заряженные молекулы реагируют на низкочастотное электрическое поле, от 100 до 300 килогерц и с интенсивностью, равной напряженности поля миксера или тостера. Вместо образования митотических веретен выравнивание микротрубочек нарушается таким образом, что это предотвращает деление клеток и рост опухоли.
«Ученые пытались придумать множество различных рецептов, чтобы попытаться стимулировать клетку электрическим полем», — говорит Павеси. «Регулируя интенсивность и частоту, вы можете воздействовать только на раковые клетки, оставляя другие типы клеток неизменными, не разрушая их. Это ключевая концепция».С тех пор была основана компания Novocure для разработки терапии TTF для людей с раком мозга и легких.
Павеси, который вместе с Kamm помогал разрабатывать микрофлюидные устройства, придумал устройство для тестирования TTF после просмотра выступления основателя Novocure на TED.«Я сразу подумал про себя:« Это простая вещь, которую я могу воспроизвести на одном из своих устройств », — вспоминает Павеси.Выиграть время
Исследователи изготовили устройство из PDMS, широко используемого гелеобразного полимера, и создали узоры на небольших каналах на устройстве. Затем они разработали проводящую смесь из серебряных чешуек микронного размера и PDMS, которую они вылечили, а затем впрыснули в два канала устройства, чтобы сформировать два крошечных отдельных электрода.
В область между электродами вводили гидрогели с клетками рака груди или легких, а также с небольшими опухолевыми массами. Исследователи также вводили здоровые эндотелиальные клетки человека.
Гидрогели создали трехмерную матрицу, имитирующую внеклеточную среду.Команда подвергала каждый тип ячеек в трехмерной матрице переменным электрическим полям с частотой 150 или 200 килогерц, непрерывно, с интенсивностью 1,1 вольт на сантиметр.
По словам Павеси, в отсутствие электрического поля раковые клетки начинают размножаться и распространяться в течение двух дней. Однако он и Адриани наблюдали значительное замедление прогрессирования опухоли после трех дней непрерывной стимуляции электрическим полем: пролиферация заметно уменьшилась, в то время как небольшие массы клеток рака легких не рассредоточились, что указывает на ингибирование их метастатического потенциала.
Более того, здоровые эндотелиальные клетки в том же устройстве остались нетронутыми. Исследователи предполагают, что здоровым клеткам может потребоваться воздействие электрического поля на разных частотах, поскольку их размер и электрические свойства сильно отличаются от таковых у раковых клеток.Адриани надеется, что микрожидкостное устройство поможет ученым протестировать широкий диапазон напряженности и частоты электрического поля на других типах раковых клеток.
Хотя TTF-терапия была одобрена Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов для лечения опухолей головного мозга, на тестирование электрических полей ушли годы, сначала in vitro, затем на животных и людях. Павеси говорит, что микрофлюидное устройство может ускорить этот процесс.
«Возможно, скрининг TTF для оптимизации частоты и интенсивности, по крайней мере, сократит время, необходимое для исследований in vivo», — говорит Павеси. «Могут быть тысячи переменных, но вы можете сначала попробовать их на этом устройстве. Если вы найдете 10 из них, которые работают, вы можете попробовать эти 10 на модели животных».
«Что касается персонализированной медицины, вы можете проверить, работает ли рецепт для конкретного человека», — говорит Адриани. «Через три дня вы можете получить ответ. А для многих онкологических больных, умирающих от метастазов, время решает все».