Att hitta en handfull cancerceller som gömmer sig bland miljarder blodceller i ett patientprov kan vara som att hitta en nål i en höstack. I ett nytt tillvägagångssätt som möjliggörs med 3D-tryckta cellfällor, forskare tar bort höet för att exponera cancercellerna.

Fånga de vita blodkropparna - som är ungefär lika stora som cancerceller - och filtrera bort mindre röda blodkroppar lämnar efter sig tumörcellerna, som sedan kan användas för att diagnostisera sjukdomen, potentiellt ge tidig varning om återfall och möjliggöra forskning om cancermetastasprocessen. Arbetet, ledd av forskare vid Georgia Institute of Technology, kan främja målet om personlig cancerbehandling genom att möjliggöra snabb och billig separation av tumörceller som cirkulerar i blodomloppet.

"Isolering av cirkulerande tumörceller från helblodsprover har varit en utmaning eftersom vi letar efter en handfull cancerceller blandade med miljarder normala röda och vita blodkroppar, " sa A. Fatih Sarioglu, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE). "Med den här enheten, vi kan bearbeta en kliniskt relevant volym blod genom att fånga nästan alla vita blodkroppar och sedan filtrera bort de röda blodkropparna efter storlek. Det lämnar oss med oskadade tumörceller som kan sekvenseras för att bestämma den specifika cancertypen och de unika egenskaperna hos varje patients tumör."

Forskningen rapporterades 20 september i tidningen Lab on a Chip , och fick stöd av ett fröbidrag från Integrated Cancer Research Center vid Georgia Tech.

Andra försök att fånga cirkulerande tumörceller har försökt extrahera dem från blodet med hjälp av mikrofluid teknik som känner igen specifika ytmarkörer på cancercellerna. Men eftersom cancern kan förändras över tiden, de maligna cellerna kan inte erkännas med säkerhet. Och även om de kan fångas, tumörcellerna måste avlägsnas från kretsloppskanaler i enheten och separeras från antigenet utan att orsaka skada.

Sarioglu och medarbetare, inklusive ECE doktorand och första författare Chia-Heng Chu, bestämde sig för att ta ett annat tillvägagångssätt, bygga 3D-tryckta fällor fodrade med antigener för att fånga de vita blodkropparna i ett prov. De 3D-tryckta fällorna tillät forskarna att kraftigt utöka ytan för att fånga de vita blodkropparna när de passerar i blodprov. Sicksackande vätskekanaler, några så mycket som en halv meter långa, öka sannolikheten för att varje vita blodkropp skulle komma i kontakt med en kanalvägg.

"Vanliga mikrofluidiska enheter har bara ett enda lager med kanalhöjder på 50 till 100 mikron, " sa Sarioglu. "De är tjocka, men det mesta är bara tom plast. Att använda 3D-utskrift befriar oss från den enda kanalen och gör att vi kan skapa många kanaler i tre dimensioner som bättre utnyttjar utrymmet."

Medan 3-D-utskriften möjliggjorde en ökning av kanaldensiteten, som kom med en betydande utmaning. Tidigare mikrofluidiska enheter kan utformas med etsade kanaler för att bära blodet. Men med 3D-utskriftsprocesser som tillverkas lager för lager, kanaler var tvungna att fyllas med vax för att fler kanaler skulle byggas ovanpå dem. Den plågsamma kanalstrukturen, designad för att maximera cellväggsinteraktion, gjorde det praktiskt taget omöjligt att få ut vaxet efter tillverkningen.

Lösningen var att designa cellfällor som passar in i standardcentrifuger utformade för att snurra prover för separation. Fällorna upphettades i centrifugen och centrifugerades sedan för att låta det smälta vaxet fly. Efter att ha tagit bort det flytande vaxet, kanalerna mottog antigenbeläggningen.

Efter att de vita blodkropparna har tagits bort, de mindre röda blodkropparna passerar genom ett enkelt kommersiellt filter som fångar cancercellerna och eventuella kvarvarande vita blodkroppar. Tumörcellerna kan sedan avlägsnas från filtret, som är integrerad i den 3-D-utskrivna enheten.

Minimal behandling av blodprover är ett mål för projektet att göra processen tillgänglig för kliniker och sjukhus utan att kräva specialiserad teknikerkompetens. Mindre bearbetning minskar också risken för skador på tumörcellerna och minimerar andra cellförändringar som kan förvränga utvärderingen.

Som en del av provningen av principbevis, forskarna belade de vita blodkropparna med biotin för att påskynda testningen. Framtida cellfällor kommer att använda antigener utformade för att locka cellerna till kanalväggarna utan biotinbearbetningssteget.

Forskarna testade deras tillvägagångssätt genom att lägga till cancerceller i blod som tagits från friska människor. Eftersom de visste hur många celler som tillsattes, de kunde berätta hur många de skulle extrahera, och experimentet visade att fällan kunde fånga cirka 90 procent av tumörcellerna. Senare testning av blodprover från prostatacancerpatienter isolerade tumörceller från ett 10 milliliters helblodsprov.

Testet inkluderade celler från prostata, bröst- och äggstockscancer, men Sarioglu tror att enheten kommer att fånga cirkulerande tumörceller från alla typer av cancer eftersom borttagningsmekanismen riktar sig mot blodceller snarare än cancerceller.

Nästa steg är att begränsa kanalerna i enheten, testa avlägsnande av vita blodkroppar utan användning av biotin, öka procentandelen av utvinning av vita blodkroppar och anslut cellfällor för att öka fångstkapaciteten.

"Vi förväntar oss att detta verkligen kommer att vara ett möjliggörande verktyg för läkare, "Sa Sarioglu." I vårt labb, tankesättet är alltid att översätta vår forskning genom att göra enheten tillräckligt enkel för att användas på sjukhus, kliniker och andra faciliteter som hjälper till att diagnostisera sjukdom hos patienter."