SNABB sensor. Kredit:Stanford University
Ingenjörer vid Stanford University har skapat en liten, autonom enhet med en töjbar och flexibel sensor som kan fästas på huden för att mäta den ändrade storleken på tumörerna nedan. Den icke-invasiva, batteridrivna enheten är känslig för en hundradels millimeter (10 mikrometer) och kan överföra resultat till en smartphone-app trådlöst i realtid med en knapptryckning.
I praktiska termer, säger forskarna, representerar deras enhet – kallad FAST för "Flexible Autonomous Sensor Measuring Tumors" – ett helt nytt, snabbt, billigt, handsfree och exakt sätt att testa effektiviteten av cancerläkemedel. I större skala kan det leda till lovande nya riktningar inom cancerbehandling. FAST beskrivs i en artikel publicerad 16 september i Science Advances.
Varje år testar forskare tusentals potentiella cancerläkemedel på möss med subkutana tumörer. Få når mänskliga patienter, och processen för att hitta nya terapier är långsam eftersom tekniker för att mäta tumörregression från läkemedelsbehandling tar veckor att läsa ut ett svar. Den inneboende biologiska variationen av tumörer, bristerna i befintliga mätmetoder och de relativt små provstorlekarna gör läkemedelsscreening svår och arbetskrävande.
"I vissa fall måste tumörerna under observation mätas för hand med bromsok", säger Alex Abramson, första författare till studien och en nyligen postdoc i labbet av Zhenan Bao, K.K. Lee professor i kemiteknik vid Stanford School of Engineering.
Användningen av metalltångliknande bromsok för att mäta mjuka vävnader är inte idealisk, och radiologiska metoder kan inte leverera den typ av kontinuerliga data som behövs för realtidsbedömning. FAST kan upptäcka förändringar i tumörvolym på minut-tidsskalan, medan mätningar av tjocklek och bioluminescens ofta kräver veckor långa observationsperioder för att avläsa förändringar i tumörstorlek.
Guldets kraft
FASTs sensor är sammansatt av en flexibel och töjbar hudliknande polymer som inkluderar ett inbäddat lager av guldkretsar. Denna sensor är ansluten till en liten elektronisk ryggsäck designad av tidigare postdoktorer och medförfattare Yasser Khan och Naoji Matsuhisa. Enheten mäter belastningen på membranet – hur mycket det sträcker sig eller krymper – och överför dessa data till en smartphone. Med FAST-ryggsäcken kan potentiella terapier som är kopplade till tumörstorleksregression snabbt och säkert uteslutas som ineffektiva eller snabbspåras för vidare studier.
Baserat på studier med möss säger forskarna att den nya enheten erbjuder minst tre betydande framsteg. För det första ger den kontinuerlig övervakning, eftersom sensorn är fysiskt ansluten till musen och förblir på plats under hela experimentperioden. För det andra omsluter den flexibla sensorn tumören och kan därför mäta formförändringar som är svåra att urskilja med andra metoder. För det tredje är FAST både autonom och icke-invasiv. Den är ansluten till huden - inte olikt ett självhäftande bandage - batteridriven och ansluten trådlöst. Musen är fri att röra sig obehindrad av enheten eller kablarna, och forskare behöver inte aktivt hantera mössen efter sensorplacering. FAST-paket är också återanvändbara, kostar bara $60 eller så att montera och kan fästas på musen på några minuter.
Genombrottet ligger i FAST:s flexibla elektroniska material. Belagt ovanpå den hudliknande polymeren är ett lager av guld, som, när det sträcks, utvecklar små sprickor som förändrar materialets elektriska ledningsförmåga. Sträck materialet och antalet sprickor ökar, vilket gör att det elektroniska motståndet i sensorn också ökar. När materialet drar ihop sig kommer sprickorna i kontakt igen och konduktiviteten förbättras.
Både Abramson och medförfattaren Matsuhisa, docent vid University of Tokyo, karakteriserade hur dessa sprickutbredning och exponentiella förändringar i konduktivitet matematiskt kan likställas med förändringar i dimension och volym.
Ett hinder forskarna var tvungna att övervinna var oron för att själva sensorn skulle kunna äventyra mätningar genom att applicera onödigt tryck på tumören och effektivt klämma den. För att kringgå den risken anpassade de noggrant de mekaniska egenskaperna hos det flexibla materialet till huden för att göra sensorn lika följsam och smidig som äkta hud.
"Det är en bedrägligt enkel design," säger Abramson, "men dessa inneboende fördelar borde vara mycket intressanta för de farmaceutiska och onkologiska samhällena. FAST kan avsevärt påskynda, automatisera och sänka kostnaderna för processen för screening av cancerterapier." + Utforska vidare
