Istället för att leta efter en nål i en höstack, tänk om du kunde sopa hela höstacken åt ena sidan, lämnar bara nålen kvar? Det är strategin som forskare vid University of Georgia College of Engineering följde när de utvecklade en ny mikrofluidisk enhet som separerar svårfångade cirkulerande tumörceller (CTC) från ett prov av helblod.

CTC:er bryter sig loss från cancertumörer och flyter genom blodomloppet, kan leda till nya metastatiska tumörer. Isolering av CTC från blodet ger ett minimalt invasivt alternativ för grundläggande förståelse, diagnos och prognos för metastatisk cancer. Men de flesta studier begränsas av tekniska utmaningar för att fånga intakta och livskraftiga CTC med minimal kontaminering.

"Ett typiskt prov på 7 till 10 milliliter blod kan bara innehålla ett fåtal CTC, sa Leidong Mao, en professor vid UGA:s School of Electrical and Computer Engineering och projektets huvudutredare. "De gömmer sig i helblod med miljontals vita blodkroppar. Det är en utmaning att få tillräckligt med CTC så att forskare kan studera dem och förstå dem."

Cirkulerande tumörceller är också svåra att isolera eftersom inom ett prov på några hundra CTC, de enskilda cellerna kan ha många egenskaper. Vissa liknar hudceller medan andra liknar muskelceller. De kan också variera mycket i storlek.

"Människor jämför ofta att hitta CTC med att hitta en nål i en höstack, sade Mao. "Men ibland är nålen inte ens en nål."

För att snabbare och effektivare isolera dessa sällsynta celler för analys, Mao och hans team har skapat ett nytt mikrofluidiskt chip som fångar nästan varje CTC i ett blodprov – mer än 99 % – en betydligt högre andel än de flesta befintliga teknologier.

Teamet kallar sitt nya tillvägagångssätt för CTC-detektion för "integrerad ferrohydrodynamisk cellseparation, " eller iFCS. De beskriver sina resultat i en studie publicerad i Royal Society of Chemistry's Lab on a Chip .

Den nya enheten kan vara "transformativ" vid behandling av bröstcancer, enligt Melissa Davis, en biträdande professor i cell- och utvecklingsbiologi vid Weill Cornell Medicine och en samarbetspartner i projektet.

"Läkare kan bara behandla det de kan upptäcka, ", sa Davis. "Vi kan ofta inte upptäcka vissa undertyper av CTC, men med iFCS-enheten kommer vi att fånga alla undertyper av CTC och till och med avgöra vilka undertyper som är mest informativa om återfall och sjukdomsprogression."

Davis tror att enheten i slutändan kan tillåta läkare att mäta en patients svar på specifika behandlingar mycket tidigare än vad som för närvarande är möjligt.

Medan de flesta ansträngningar för att fånga cirkulerande tumörceller fokuserar på att identifiera och isolera de få CTC som lurar i ett blodprov, iFCS tar ett helt annat tillvägagångssätt genom att eliminera allt i provet som inte är en cirkulerande tumörcell.

Enheten, ungefär storleken på en USB -enhet, fungerar genom att leda blod genom kanaler som är mindre i diameter än ett människohår. För att förbereda blod för analys, teamet lägger till mikronstora magnetiska pärlor till proverna. De vita blodkropparna i provet fäster sig vid dessa pärlor. När blod strömmar genom enheten, magneter på toppen och botten av chipet drar de vita blodkropparna och deras magnetiska pärlor ner i en specifik kanal medan de cirkulerande tumörcellerna fortsätter in i en annan kanal.

Enheten kombinerar tre steg i ett mikrofluidchip, ytterligare ett framsteg jämfört med befintlig teknik som kräver separata enheter för olika steg i processen.

"Det första steget är ett filter som tar bort stora skräp i blodet, "sa Yang Liu, en doktorand vid UGA:s institution för kemi och tidningens medförfattare. "Den andra delen tömmer extra magnetiska pärlor och majoriteten av de vita blodkropparna. Den tredje delen är utformad för att fokusera kvarvarande vita blodkroppar till mitten av kanalen och för att trycka CTCs till sidoväggarna."

Wujun Zhao är tidningens andra huvudförfattare. Zhao, en postdoktor vid Lawrence Berkeley National Laboratory, arbetade med projektet samtidigt som han tog sin doktorsexamen i kemi vid UGA.

"Framgången för vår integrerade enhet är att den har förmågan att berika nästan alla CTC oavsett deras storleksprofil eller antigenuttryck, ", sa Zhao. "Våra resultat har potential att ge cancerforskningssamhället nyckelinformation som kan missas av nuvarande proteinbaserade eller storleksbaserade anrikningsteknologier."

Forskarna säger att deras nästa steg inkluderar att automatisera iFCS och göra det mer användarvänligt för kliniska miljöer. De måste också genomdriva enheten i patientförsök. Mao och hans kollegor hoppas att ytterligare medarbetare kommer att ansluta sig till dem och låna ut sin expertis till projektet.