Forscher am Worcester Polytechnic Institute (WPI) haben einen chip entwickelt aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die Erfassung zirkulierender Tumorzellen (CTCs) von allen Größen und Arten, und kann dies mit weit mehr Sensibilität als die existierenden Technologien. Das einzigartige design des Gerätes macht es möglich, auf einfache Weise identifizieren und auch die Kultur der erfassten Zellen, die könnte machen es möglich, zu erkennen, early-stage-Tumoren, vorherzusagen, den Verlauf einer Krebserkrankung, und eine überwachung der Auswirkungen der Therapie.
Details der neuen Technologie berichten Sie in der Fachzeitschrift Labor auf dem Chip (Flüssig-Biopsie mit dem nanotube-CTC-chip: erfassen der invasiven CTCs mit hoher Reinheit unter Verwendung bevorzugte Adhärenz bei Brustkrebs-Patienten) von einem team bestehend aus Forschern an WPI, die Abteilung der Neurologischen Chirurgie an der University of Massachusetts Medical School, und dem James Graham Brown Cancer Center an der University of Louisville School of Medicine. Balaji Panchapakesan, professor für Maschinenbau an WPI, ist das Projekt führen.
Hohe Krebs-Sterblichkeit sind weitgehend von den Tumoren entwickeln unentdeckt, bis Sie erreichen die fortgeschrittenen oder inoperablen Stadien und Metastasierung (wenn Tumorzellen Reisen durch den Blutkreislauf, und initiieren Sie neue Tumoren in anderen Organen). Wissenschaftler haben lange versucht, eine Methode, die zuverlässig snare-tumor-Zellen, wie Sie Reisen durch die Blutbahn. Eine solche Technik könnte es möglich machen, zu erkennen Krebs in sehr frühen Stadien, wenn die Behandlung eher erfolgreich zu sein, und zu erkennen, die genetischen Veränderungen die Tumorzellen Durchlaufen, wenn ein Krebs beginnt zu metastasieren.
“Isolieren von CTCs mit hoher Reinheit ist eine große Herausforderung, ähnlich wie das suchen einer Nadel im Heuhaufen”, Panchapakesan sagte. “Diese Zellen bestehen aus nur einem 10-Zellen unter Milliarden von Blutzellen, und die Ausscheidung von CTCs von Tumoren ist ein sehr diskontinuierlicher Prozess.”
Eine Reihe von Forschungseinrichtungen und Unternehmen erstellt haben, die so genannte flüssige Biopsie-Geräte, aber die Geräte, die derzeit verfügbar haben wichtige Einschränkungen, Panchapakesan sagte. Dazu gehören geringe Empfindlichkeit; die Unfähigkeit, trap CTCs in allen Größen und Arten, oder zur Erfassung von Clustern von CTCs zusammen mit den einzelnen Zellen; Schwierigkeiten beim abrufen von aufgenommenen Zellen von den Geräten für die Labor-Analyse; und hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus Kontamination erfasst CTCs von weißen Blutkörperchen, die sind in der Größe ähnlich und können verwechselt werden, für CTCs, ist ein problem für viele flüssige Biopsie-Geräte.
Das Gerät, entwickelt von Panchapakesan team, beschrieben in dem Labor auf einem Chip – Papier, hat keine dieser Einschränkungen. Das Kernstück der Vorrichtung ist eine Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die Linien der Unterseite eine kleine, gut gebildet, in der eine Silizium/Glas-wafer. Panchapakesan sagt das chip-design nutzt eine Natürliche Tendenz, von CTCs zu befestigen. “Um die Reise zu einem weit entfernten Ort im Körper, und starten Sie einen neuen tumor,” sagte er, “CTCs brauchen die Fähigkeit zu befestigen, in einer Umgebung, die nicht förderlich für die Anlage. In der bisherigen Forschung haben wir gezeigt, dass Sie fügen sich bevorzugt um Kohlenstoff-Nanoröhren, aber, dass die weißen Blutkörperchen nicht, im großen und ganzen.”
Darüber hinaus den letzten Studien haben gezeigt, dass die CTCs sind weit empfindlicher als zuvor angenommen und unterliegen den Umwelt-und mechanischen Belastungen, die in der Blutbahn. “Diese Zellen nicht überleben, es sei denn, Sie geben Ihnen eine rocklike matrix zu befestigen — eine weichere matrix erfordert zu viel Energie aus der Zelle,” Panchapakesan sagte.
“Es ist ein medizinisches problem im Schnittpunkt von Maschinenbau und Biologie”, sagte er. “Ein Verständnis der Biologie von Krebszellen und wie CTCs Verhalten ermöglicht es uns, design Maschinenbau-basierten Gerät.”
Die Tatsache, dass die weißen Blutkörperchen halten sich nicht an die Nanoröhren macht es möglich, Sie zu entfernen von dem chip, dem verlassen der CTCs hinter werden gezählt und identifiziert werden. Rote Blutkörperchen, die weitaus zahlreicher als die zirkulierenden Tumorzellen, die ebenfalls ein problem darstellen. Da Sie dazu neigen, auf dem Boden absetzen des Chips, Sie könnten verhindern, dass CTCs von der Einhaltung der Nanoröhren. Das Forschungsteam dieses problem angegangen, indem lysing, oder aufzubrechen, die roten Blutkörperchen vor dem hinzufügen einer Blut-Probe auf den chip. Sie fanden heraus, dass die lysing-Prozess hat keinen Einfluss auf den CTCs.
Tests der chip mit Blut versetzt mit einer bekannten Anzahl von Krebs-Zellen, markiert mit Fluoreszenzfarbstoff zeigten, dass es eine hohe Sensibilität, mit zwischen 89 und 100 Prozent der Zellen in den Proben gefangen genommen. (Die Empfindlichkeit des Chips erhöht, je länger das Blut blieb in Kontakt mit den Nanoröhrchen tritt.) Tests wurden ausgeführt mit Blutproben von tatsächlichen Patientinnen mit Brustkrebs (Stadien 1-4) erreicht und 100 Prozent Empfindlichkeit zum Nachweis von CTCs. CTCs wurden gefangen genommen von allen sieben Proben von Patienten während keine tumor-Zellen eingefangen wurden aus den Proben von zwei gesunden Patienten.
Was mehr ist, ist der chip erfasst die einzelnen CTCs als Aussteller mehrere Phänotypen von früh – und Spätstadium von Krebs-Patienten, ein weiterer potenzieller Vorteil des Gerätes. Während andere Methoden zum erfassen von Zellen, die in anderen Geräten zeigen die Neigungen, die verhindern, dass Sie von der Erfassung der volle Bereich der Krebs-Zell-Phänotypen, die WPI-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-chip scheint das Potenzial haben, dies zu tun.
“Diese ersten klinischen Studien,” Panchapakesan sagte, “in denen wir waren in der Lage zu erfassen und identifizieren der einzelnen CTCs von unterschiedlichen Phänotypen, zeigen, dass dieses Gerät könnte zu einem wichtigen Werkzeug nicht nur für die Verfolgung der progression der Tumore und Ihre Reaktion auf Bestrahlung oder Chemotherapie, aber auch in die Erstellung von Prognosen über den wahrscheinlichen Verlauf von Krebs, die helfen könnten ärzte die Identität der effektivste Verlauf der Therapie.”
Die tests zeigten auch, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen chip bannen können Zellen unabhängig von Größe und können darüber hinaus die Erfassung Cluster von CTCs zusätzlich zu den einzelnen Zellen. (CTC-Cluster sind selten, aber Sie scheinen zu haben eine größere Fähigkeit zu Samen neue Tumore als die einzelnen CTCs.) Da die Zellen absetzen vorsichtig auf den Nanoröhren und Riegel auf mit Ranken, die sich von der Zelle, Körper, Sie sind nicht beschädigt.
Und während eingefangen Zellen müssen entfernt werden, von anderen Geräten für die Analyse, die schwierig sein kann, mit Geräten, die mit schmalen mikrofluidischen Kanäle und führt oft zu Schäden an den Zellen, die Zellen erfasst, die durch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen chip lebensfähig bleiben und kann auch kultiviert werden. Darüber hinaus, weil die chips sind transparent, es ist möglich zu beflecken und die Studie aufgenommenen Zellen, ohne diese zu entfernen.
Der chip beschrieben in das Labor auf einem Chip – paper ist die neueste generation der Flüssigkeit Biopsie-chip, der wurde in der Entwicklung für mehrere Jahre in Panchapakesan Kleine Systeme Labor am WPI in Zusammenarbeit mit der University of Massachusetts Medical School und der University of Louisville.
Die chips sind aus Materialien und batch-Fertigung von Techniken ähnlich denen verwendet werden, um Halbleiter. Die aktuelle generation ist eine 76-element-array von test-wells auf ein Glas und Silizium-wafer. Neben der Herstellung der Massenproduktion möglich, die multi-well-design macht es leicht zu teilen Sie eine Blutprobe von mehreren Brunnen. Das kleine Volumen von Blut in jeden gut macht es möglich, genauer zu zählen, die angebracht CTCs.
Panchapakesan sagte, er glaubt, dass die neueste generation von carbon-Nanoröhrchen flüssige Biopsie chip ist bereit für die klinischen Studien. Zu diesem Zweck arbeitet er mit StrandSmart Inc., ein Silicon-Valley-start-up geführt von CEO Adrianna Davies. Das team sieht die Prüfung einer point-of-care (POC) Gerät zur Erkennung von Krebs in den frühesten Stadien weltweit.
“Diese potenziell lebensrettende Technologie könnte mehrere vorteilhafte Anwendungen”, Panchapakesan sagte. “Es könnte helfen, Licht auf die komplexen biologischen und genetischen Prozesse spielen bei Krebs. Es könnte erkennen, Krebserkrankungen in einem sehr frühen Stadium durch die Erfassung der Zellen entstehenden Tumore Schuppen in das Blut. Es identifizieren konnte CTCs mit metastasierendem Potenzial vor neuen Tumoren selbst beginnt, und es könnte helfen, Form-Behandlungen, die individuell auf jede person ist Krebs.”
