En ny ultrakänslig diagnostisk enhet uppfunnen av forskare vid University of Kansas, University of Kansas Cancer Center och KU Medical Center kan tillåta läkare att upptäcka cancer snabbt från en droppe blod eller plasma, leder till snabbare insatser och bättre resultat för patienterna.

"lab-on-a-chip" för "vätskebiopsi"-analys, rapporterade idag i Nature Biomedicinsk teknik , upptäcker exosomer – små paket av biologisk information som produceras av tumörceller för att stimulera tumörtillväxt eller metastasera.

"Historiskt sett, folk trodde att exosomer var som "soppåsar" som celler kunde använda för att dumpa oönskat cellinnehåll, " sa huvudförfattaren Yong Zeng, Docking Family Scholar och docent i kemi vid KU. "Men under det senaste decenniet, forskare insåg att de var ganska användbara för att skicka meddelanden till mottagarceller och kommunicera molekylär information som är viktig för många biologiska funktioner. I grund och botten, tumörer skickar ut exosomer som förpackar aktiva molekyler som speglar de biologiska egenskaperna hos föräldracellerna. Medan alla celler producerar exosomer, tumörceller är verkligen aktiva jämfört med normala celler."

Det nya lab-on-a-chips nyckelinnovation är en 3-D nanoteknikmetod som blandar och känner av biologiska element baserat på ett fiskbensmönster som vanligtvis finns i naturen, att trycka exosomer i kontakt med chipets avkänningsyta mycket mer effektivt i en process som kallas "massöverföring".

"Människor har utvecklat smarta idéer för att förbättra massöverföring i mikroskaliga kanaler, men när partiklar rör sig närmare sensorytan, de är åtskilda av ett litet gap av vätska som skapar ökande hydrodynamiskt motstånd, " sa Zeng. "Här, vi utvecklade en 3-D nanoporös fiskbensstruktur som kan dränera vätskan i det gapet för att få partiklarna i hård kontakt med ytan där sonder kan känna igen och fånga dem."

Zeng jämförde chipets nanoporer med en miljon små diskbänkar:"Om du har ett handfat fyllt med vatten och många bollar som flyter på ytan, hur får man alla bollar i kontakt med botten av diskbänken där sensorer kan analysera dem? Det enklaste sättet är att tömma vattnet."

För att utveckla och testa den banbrytande mikrofluidenheten, Zeng samarbetade med en tumör-biomarkörexpert och KU Cancer Centers biträdande direktör Andrew Godwin vid KU Medical Centers avdelning för patologi och laboratoriemedicin, samt doktorand Ashley Tetlow i Godwins Biomarker Discovery Lab. Samarbetspartnerna testade chipets design med hjälp av kliniska prover från äggstockscancerpatienter, att hitta chipet kunde upptäcka förekomsten av cancer i en minimal mängd plasma.

"Våra samarbetsstudier fortsätter att bära frukt och främja ett område som är avgörande inom cancerforskning och patientvård - nämligen, innovativa verktyg för tidig upptäckt, sa Godwin, som fungerar som kanslerns distinguished ordförande och professor i biomedicinska vetenskaper och professor och chef för molekylär onkologi, patologi och laboratoriemedicin vid KU Medical Center. "Detta studieområde är särskilt viktigt för cancerformer som äggstocks-, med tanke på att de allra flesta kvinnor diagnostiseras i ett framskridet stadium när, tyvärr, sjukdomen är till största delen obotlig."

Vad mer, de nya mikrofluidchips som utvecklats vid KU skulle vara billigare och enklare att tillverka än jämförbara konstruktioner, möjliggör bredare och billigare testning för patienter.

"Vad vi skapade här är en 3-D nanomönstermetod utan behov av någon tjusig nanotillverkningsutrustning - en student eller till och med en gymnasieelev kan göra det i mitt labb, " sade Zeng. "Detta är så enkelt och billigt att det har stor potential att översättas till kliniska miljöer. Vi har samarbetat med Dr. Godwin och andra forskningslabb vid KU Cancer Center och avdelningen för molekylär biovetenskap för att ytterligare utforska teknologins translationella tillämpningar."

Enligt Zeng, med mikrofluidchipets design nu bevisad med äggstockscancer som modell, chippet kan vara användbart för att upptäcka en mängd andra sjukdomar.

"Nu, vi tittar på cellkulturmodeller, djurmodeller, och även kliniska patientprover, så vi gör verkligen en del translationell forskning för att flytta enheten från labbmiljön till fler kliniska tillämpningar, "Sade han. "Nästan alla däggdjursceller släpper exosomer, så tillämpningen är inte bara begränsad till äggstockscancer eller någon typ av cancer. Vi arbetar med människor för att titta på neurodegenerativa sjukdomar, bröst- och kolorektal cancer, till exempel."

På KU:s Lawrence-campus, Zeng arbetade med ett team inklusive postdoktor Peng Zhang, doktorand Xin Zhou vid Institutionen för kemi, liksom Mei He, KU biträdande professor i kemi och kemiteknik.

Denna forskning stöddes av anslag från National Institutes of Health, inklusive ett gemensamt R21-bidrag (CA1806846) och ett R33-bidrag (CA214333) mellan Zeng och Godwin och KU Cancer Centers kärnanläggning för Biospecimen Repository, finansieras delvis av ett National Cancer Institute Cancer Center Support Grant (P30 CA168524).