Varje dag, ungefär 100 miljarder nya celler skapas inuti människokroppen. Dessa celler förenar sig med biljoner äldre celler för att bilda de vävnader och organ vi litar på för att överleva. Ibland när en cell skapas, en mutation sker i dess DNA, omvandla cellen till något defekt och potentiellt farligt för kroppens inre miljö. Vanligtvis, en cell kommer att känna igen sina egna defekter och snabbt avsluta sig själv.

Men ibland, istället för att eliminera sig själv, den muterade cellen replikerar, bildar en tumör som kan bryta isär, metastasera (dvs migrera), och invadera andra delar av kroppen - ofta genom blodomloppet. Lyckligtvis, Carnegie Mellon Universitys professor i maskinteknik Philip LeDuc, i samarbete med Ph.D. student James Li Wan och Dr Carola Neumann, en bröstcancerforskare från University of Pittsburgh, utvecklat en patientorienterad modell som forskare kan använda för att bättre förstå - och så småningom stoppa - migration av cancerceller.

Enligt LeDuc, detta projekt startade på grund av det växande intresse som forskare har visat för sambandet mellan fysik och cancer. Eftersom tumörer är faktiskt fysisk massor, båda biokemiska och fysiska medel kan påverka cancerceller och tumörer. Efter att ha övervägt sambandet mellan dessa två ämnen, LeDuc, Neumann, och Wan riktade sin uppmärksamhet mot metastaser och cancercellanalys. Genom sitt samarbete de kunde utveckla ett mer exakt och relevant sätt att studera cancerceller.

Även om cellanalys traditionellt sker i en petriskål av plast, forskargruppen skapade en 3D-modell som mer exakt återspeglar de fysiologiska förhållandena hos en organism. Med denna modell, forskare kan avslöja och analysera komplexiteten hos cancerceller i en miljö som mer efterliknar människokroppen.

"Biologi har studerats genom att placera celler inuti petriskålar i årtionden, " säger LeDuc. "Men frågan är, kan man göra system som är mer fysiologiskt relevanta? Vi använder tillvägagångssätt med mikrofluid och mikrotillverkning för att skapa tredimensionella system eftersom celler finns i tredimensionella vävnader – de finns inte naturligt i en 2D petriskål."

Vanligtvis, mikrofluidsystem - system som överför vätskor på mikroskopisk nivå - är gjorda av plast, men eftersom LeDuc, Neumann, och Wan letade efter ett mer fysiologiskt relevant system, de skapade sitt mikrofluidiska system med kollagen, det mest dominerande proteinet i människokroppen.

"Som Phil sa, Vi odlar traditionellt celler i plast och arbetar med dem i petriskålar, säger Neumann, en docent i farmakologi och kemisk biologi vid University of Pittsburgh. "Men ingenstans i kroppen har du plast. Att ha ett 3D-system som efterliknar fysiologiska tillstånd är ett mycket bättre sätt att få snabbare och mer relevanta resultat."

Varje mikrofluidisk enhet som skapats av teamet innehåller två nyckelkomponenter:en uppsättning parallella kanaler som efterliknar traditionella blodkärl och en koncentration av cancerceller som är inbäddade i kollagenet.

När en enhet väl är konstruerad, kanalerna injiceras med ett kemiskt stimulerande medel som diffunderar in i det omgivande kollagenet. När molekyler från stimulanten rör sig längre bort från kanalerna, en biomolekylär gradient skapas. Denna gradient uppmanar de inbäddade cancercellerna att röra sig - ofta tillbaka mot de simulerade blodkärlskanalerna.

Hos en patient, om cancerceller kommer in i blodomloppet, de metastaserar och kan bilda sekundära cancertumörer. Enligt LeDuc och Neumann, de flesta patienter med solida tumörer dör vanligtvis av metastaser – inte från själva primärtumören – vilket är anledningen till att forskare måste ta reda på hur man kan stoppa metastaser från att uppstå i första hand.

Metastaserande cancerceller har förvärvat förmågan att flytta från den primära tumören till blod- eller lymfsystemet - en process som kräver att cancerceller migrerar och omformar tumörvävnaden för att invadera andra delar av kroppen. Så, för att stoppa metastaser, forskare måste förstå vilka faktorer som stödjer cancercellers rörlighet och vävnadsremodellering. Det är därför 3D-systemet utvecklat av LeDuc, Neumann, och Wan är så viktig.

"Cancer är en extremt heterogen sjukdom, vilket innebär att inte bara cancerceller skiljer sig från patient till patient, de varierar även inom en tumör, " säger Neumann. "Detsamma gäller för metastaser. Beroende på deras plats i kroppen, varje ytterligare sekundär tumör är också olika."

För att bestämma den bästa behandlingen för varje patient, LeDuc, Neumann, och Wan tror att forskare så småningom kommer att kunna använda sitt system för att undersöka tumörer från enskilda cancerpatienter. Denna process skulle i slutändan bidra till att göra cancerbehandlingen mer personlig och effektiv.

"Vår modell skulle potentiellt kunna fungera som en patientspecifik modell, säger Wan, som genomförde labbexperimenten och analyserade resultaten för denna studie. "Och det är väldigt viktigt eftersom cancer är olika hos varje patient, vilket gör det svårt att bota."

Helst 3D-systemet utvecklat av LeDuc, Neumann, och Wan kommer att ge forskare och forskare de verktyg de behöver för att stoppa cancerceller från att metastasera i varje patient.

"Vid slutet av dagen, tumören som sitter där och inte gör någonting – det är okej, " säger LeDuc. "Men så fort det går metastaserande, allt brakar loss. Vi hoppas att vårt system kommer att hjälpa till att stoppa metastaser och förbättra patientens resultat på lång sikt."

Teamets forskningsrapport, med titeln "Mimicking Embedded Vasculature Structure for 3-D Cancer on a Chip Approaches through Micromilling, " publicerades i Vetenskapliga rapporter . Förutom Philip LeDuc, Carola Neumann, och James Li Wan, maskinteknik Ph.D. student Jonelle Yu, maskinteknik professor Burak Ozdoganlar (Carnegie Mellon University), och postdoktor Dr. John Skoko (University of Pittsburgh) bidrog till denna studie.