MIT-forskare har 3-D-printat en ny mikrofluidisk enhet som simulerar cancerbehandlingar på biopsierad tumörvävnad, så att läkare bättre kan undersöka hur enskilda patienter kommer att svara på olika terapier – innan de administrerar en enstaka dos.

Att testa cancerbehandlingar idag förlitar sig mest på trial and error; patienter kan genomgå flera tidskrävande och svåra att tolerera behandlingar i jakten på en som fungerar. Nya innovationer inom läkemedelsutveckling involverar växande konstgjorda tumörer för att testa läkemedel på specifika cancertyper. Men dessa modeller tar veckor att växa och tar inte hänsyn till en enskild patients biologiska sammansättning, vilket kan påverka behandlingens effektivitet.

Forskarnas apparat, som kan skrivas ut på ungefär en timme, är ett chip något större än en fjärdedel, med tre cylindriska "skorstenar" som reser sig från ytan. Dessa är portar som används för att mata in och tömma vätskor, samt ta bort oönskade luftbubblor. Biopsierade tumörfragment placeras i en kammare ansluten till ett nätverk av kanaler som levererar vätskor – innehållande, till exempel, immunterapimedel eller immunceller – till vävnaden. Kliniker kan sedan använda olika avbildningstekniker för att se hur vävnaden svarar på läkemedlen.

En nyckelfunktion var att använda ett nytt biokompatibelt harts – som traditionellt används för dentala tillämpningar – som kan stödja långsiktig överlevnad av biopsierad vävnad. Även om tidigare 3-D-tryckta mikrofluidik har lovat drogtester, kemikalier i deras harts dödar vanligtvis celler snabbt. Forskarna fångade fluorescensmikroskopibilder som visar deras enhet, kallas en tumöranalysplattform (TAP), höll mer än 90 procent av tumörvävnaden vid liv i minst 72 timmar, och potentiellt mycket längre.

Eftersom den 3D-tryckta enheten är enkel och billig att tillverka, det kan snabbt implementeras i kliniska miljöer, säger forskarna. Läkare kunde, till exempel, skriva ut en multiplexerad enhet som kan stödja flera tumörprover parallellt, för att möjliggöra modellering av interaktioner mellan tumörfragment och många olika läkemedel, samtidigt, för en enda patient.

"Människor var som helst i världen skulle kunna skriva ut vår design. Du kan föreställa dig en framtid där din läkare kommer att ha en 3D-skrivare och kan skriva ut enheterna efter behov, " säger Luis Fernando Velásquez-García, en forskare vid Microsystems Technology Laboratories och medförfattare på ett papper som beskriver enheten, som visas i decembernumret av Journal of Microelectromechanical Systems. "Om någon har cancer, du kan ta lite vävnad i vår enhet, och hålla tumören vid liv, att köra flera tester parallellt och ta reda på vad som skulle fungera bäst med patientens biologiska makeup. Och implementera sedan den behandlingen i patienten."

En lovande applikation är att testa immunterapi, en ny behandlingsmetod som använder vissa läkemedel för att stärka en patients immunförsvar för att hjälpa den att bekämpa cancer. (Årets Nobelpris i fysiologi eller medicin tilldelades två immunterapiforskare som designade läkemedel som blockerar vissa proteiner från att förhindra immunförsvaret från att angripa cancerceller.) Forskarnas enhet skulle kunna hjälpa läkare att bättre identifiera behandlingar som en individ sannolikt kommer till svara.

"Immunterapibehandlingar har utvecklats specifikt för att rikta in sig på molekylära markörer som finns på ytan av cancerceller. Detta hjälper till att säkerställa att behandlingen framkallar en attack på cancern direkt samtidigt som negativ påverkan på frisk vävnad begränsas. varje individs cancer uttrycker en unik uppsättning ytmolekyler – som sådan, det kan vara svårt att förutse vem som kommer att svara på vilken behandling. Vår enhet använder personens faktiska vävnad, så är en perfekt passform för immunterapi, " säger första författaren Ashley Beckwith SM '18, en doktorand i Velásquez-Garcías forskargrupp.

Medförfattare på tidningen är Jeffrey T. Borenstein, en forskare på Draper.

Stödjande celler

Mikrofluidiska enheter tillverkas traditionellt via mikrogjutning, med ett gummiliknande material som kallas polydimetylsiloxan (PDMS). Denna teknik, dock, var inte lämplig för att skapa det tredimensionella nätverket av funktioner - såsom noggrant dimensionerade vätskekanaler - som efterliknar cancerbehandlingar på levande celler. Istället, forskarna vände sig till 3D-utskrift för att skapa en finfunktionell enhet "monolitiskt" – vilket betyder att skriva ut ett objekt på en gång, utan att behöva montera separata delar.

Hjärtat i enheten är dess harts. Efter att ha experimenterat med många hartser under flera månader, forskarna landade äntligen på Pro3dure GR-10, som främst används för att tillverka munskydd som skyddar mot tandgnissling. Materialet är nästan lika genomskinligt som glas, har knappt några ytdefekter, och kan skrivas ut i mycket hög upplösning. Och, viktigt, som forskarna fastställde, det påverkar inte cellöverlevnaden negativt.

Teamet utsatte hartset för ett 96-timmars cytotoxicitetstest, en analys som exponerar celler för det tryckta materialet och mäter hur giftigt det materialet är för cellerna. Efter de 96 timmarna, cellerna i materialet sparkade fortfarande. "När du skriver ut några av dessa andra hartsmaterial, de avger kemikalier som bråkar med celler och dödar dem. Men det här gör inte det, " säger Velasquez-Garcia. "Såvitt jag vet, det finns inget annat tryckbart material som kommer i närheten av denna grad av tröghet. Det är som om materialet inte finns där."

Att sätta fällor

Två andra viktiga innovationer på enheten är "bubbelfällan" och en "tumörfälla". Vätskor som strömmar in i en sådan enhet skapar bubblor som kan störa experimentet eller spricka, släpper ut luft som förstör tumörvävnad.

För att fixa det, forskarna skapade en bubbelfälla, en kraftig "skorsten" som stiger från vätskekanalen in i en gängad port genom vilken luft strömmar ut. Vätska – inklusive olika medier, fluorescerande markörer, eller lymfocyter – injiceras i en inloppsport intill fällan. Vätskan kommer in genom inloppsporten och rinner förbi fällan, där eventuella bubblor i vätskan stiger upp genom den gängade porten och ut ur enheten. Vätska leds sedan runt en liten U-sväng in i tumörens kammare, där det rinner genom och runt tumörfragmentet.

Denna tumörfångande kammare sitter i skärningspunkten mellan den större inloppskanalen och fyra mindre utloppskanaler. Tumörfragment, mindre än 1 millimeter tvärs över, injiceras i inloppskanalen via bubbelfällan, som hjälper till att ta bort bubblor som introduceras vid laddning. När vätska strömmar genom enheten från inloppsporten, tumören styrs nedströms till tumörfällan, där fragmentet fastnar. Vätskan fortsätter att färdas längs utloppskanalerna, som är för små för att tumören ska passa inuti, och rinner ut ur enheten. Ett kontinuerligt flöde av vätskor håller tumörfragmentet på plats och fyller hela tiden på näring till cellerna.

"Eftersom vår enhet är 3D-utskriven, vi kunde göra de geometrier vi ville ha, i de material vi ville ha, för att uppnå den prestation vi ville, istället för att kompromissa mellan det som designades och det som kunde implementeras – vilket vanligtvis händer när man använder standardmikrotillverkning, " säger Velásquez-García. Han tillägger att 3-D-utskrift snart kan bli den vanliga tillverkningstekniken för mikrofluidik och andra mikrosystem som kräver komplexa konstruktioner.

I detta experiment, forskarna visade att de kunde hålla ett tumörfragment vid liv och övervaka vävnadens livsduglighet i realtid med fluorescerande markörer som får vävnaden att glöda. Nästa, forskarna försöker testa hur tumörfragmenten svarar på verklig terapi.

"Det traditionella PDMS kan inte skapa de strukturer du behöver för denna in vitro-miljö som kan hålla tumörfragment vid liv under en avsevärd tid, säger Roger Howe, professor i elektroteknik vid Stanford University, som inte var involverad i forskningen. "Att du nu kan göra mycket komplexa vätskekammare som tillåter mer realistiska miljöer för att snabbt testa olika läkemedel på tumörer, och potentiellt i kliniska miljöer, är ett stort bidrag."

Howe berömde också forskarna för att de gjorde benarbetet med att hitta rätt harts och design för andra att bygga vidare på. "De bör krediteras för att ha lagt ut den informationen där ... eftersom det [tidigare] inte fanns kunskap om huruvida du hade materialet eller trycktekniken för att göra detta möjligt, " säger han. Nu "är det en demokratiserad teknik."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.