Ett chip utvecklat av maskiningenjörer vid Worcester Polytechnic Institute (WPI) kan fånga och identifiera metastaserande cancerceller i en liten mängd blod som tas från en cancerpatient. Den banbrytande tekniken använder en enkel mekanisk metod som har visat sig vara mer effektiv för att fånga cancerceller än den mikrofluidiska metoden som används i många befintliga enheter.

WPI-enheten använder antikroppar fästa på en rad kolnanorör i botten av en liten brunn. Cancerceller sätter sig på botten av brunnen, där de selektivt binder till antikropparna baserat på deras ytmarkörer (till skillnad från andra enheter, chipet kan också fånga små strukturer som kallas exosomer som produceras av cancerceller). Denna "vätskebiopsi, " beskrivs i ett färskt nummer av tidskriften Nanoteknik , kan bli grunden för ett enkelt laboratorietest som snabbt kan upptäcka tidiga tecken på metastaser och hjälpa läkare att välja behandlingar riktade mot de specifika cancerceller som identifierats.

Metastaser är den process genom vilken en cancer kan spridas från ett organ till andra delar av kroppen, vanligtvis genom att gå in i blodomloppet. Olika typer av tumörer visar en preferens för specifika organ och vävnader; cirkulerande bröstcancerceller, till exempel, kommer sannolikt att slå rot i ben, lungor, och hjärnan. Prognosen för metastaserande cancer (även kallad stadium IV-cancer) är i allmänhet dålig, så en teknik som kan upptäcka dessa cirkulerande tumörceller innan de har en chans att bilda nya kolonier av tumörer på avlägsna platser kan avsevärt öka en patients överlevnad odds.

"Fokuset på att fånga cirkulerande tumörceller är ganska nytt, sa Balaji Panchapakesan, docent i maskinteknik vid WPI och chef för Small Systems Laboratory. "Det är en mycket svår utmaning, inte olikt att leta efter en nål i en höstack. Det finns miljarder röda blodkroppar, tiotusentals vita blodkroppar, och, kanske, endast ett litet antal tumörceller flyter bland dem. Vi har visat hur dessa celler kan fångas med hög precision."

Enheten som utvecklats av Panchapakesans team innehåller en rad små element, var och en cirka en tiondels tum (3 millimeter) i diameter. Varje element har en brunn, i botten finns antikroppar fästa till kolnanorör. Varje brunn innehåller en specifik antikropp som binder selektivt till en typ av cancercellstyp, baserat på genetiska markörer på dess yta. Genom att så element med ett sortiment av antikroppar, enheten kan ställas in för att fånga flera olika cancercellstyper med ett enda blodprov. I labbet, forskarna kunde fylla totalt 170 brunnar med knappt 0,3 fluid ounces (0,85 milliliter) blod. Även med det lilla provet, de fångade mellan en och tusen celler per enhet, med en fångsteffektivitet på mellan 62 och 100 procent.

Kolnanorören som används i enheten fungerar som halvledare. När en cancercell binder till en av de bifogade antikropparna, det skapar en elektrisk signatur som kan detekteras. Dessa signaler kan användas för att identifiera vilka av elementen i arrayen som har fångat cancerceller. Dessa individuella arrayer kan sedan tas bort och föras till ett labb, där de fångade cellerna kan färgas och identifieras under ett mikroskop. I labbet, processen för bindning och generering av elektriska signaturer tog bara några minuter, föreslår möjligheten att få resultat samma dag från ett blodprov med hjälp av chipet, säger Panchapakesan.

I en artikel publicerad i tidskriften Nanoteknik , Panchapakesans team, som inkluderar doktorander Farhad Khosravi, tidningens huvudförfattare, och forskare vid University of Louisville och Thomas Jefferson University, beskriva en studie där antikroppar specifika för två markörer för metastaserande bröstcancer, EpCam och Her2, var fästa vid kolnanorören i chipet. När ett blodprov som hade "spetsats" med celler som uttryckte dessa markörer placerades på chipet, enheten visade sig tillförlitligt bara fånga de markerade cellerna.

Förutom att fånga tumörceller, Panchapakesan säger att chippet också kommer att haka på små strukturer som kallas exosomer, som produceras av cancerceller och bär samma markörer. "Dessa mycket svårfångade strukturer på 3 nanometer är för små för att kunna fångas med andra typer av flytande biopsianordningar, som mikrofluidik, på grund av skjuvkrafter som potentiellt kan förstöra dem, " noterade han. "Vårt chip är för närvarande den enda enheten som potentiellt kan fånga cirkulerande tumörceller och exosomer direkt på chipet, vilket bör öka dess förmåga att upptäcka metastaser. Detta kan vara viktigt eftersom framväxande bevis tyder på att små proteiner som utsöndras med exosomer kan driva reaktioner som kan bli stora hinder för effektiv tillförsel och behandling av cancerläkemedel."

Panchapakesan sa att chipet som utvecklats av hans team har ytterligare fördelar jämfört med andra flytande biopsiapparater, varav de flesta använder mikrofluidik för att fånga cancerceller. Förutom att kunna fånga cirkulerande tumörceller mycket mer effektivt än mikrofluidchip (där celler måste haka fast vid förankrade antikroppar när de passerar i en ström av rörlig vätska), WPI-enheten är också mycket effektiv för att separera cancerceller från andra celler och material i blodet genom differentiell sedimentering.

"Vita blod celler, särskilt, är ett problem, eftersom de är ganska många i blodet och de kan misstas för cancerceller, " sade han. "Vår enhet använder vad som kallas en passiv leukocytutarmningsstrategi. På grund av densitetsskillnader, cancercellerna tenderar att slå sig ner i botten av brunnarna (och detta händer bara i ett smalt fönster), där de möter antikropparna. Resten av blodinnehållet stannar på toppen av brunnarna och kan helt enkelt tvättas bort."

Medan de första testerna med chipet har fokuserat på bröstcancer, Panchapakesan säger att enheten kan ställas in för att upptäcka ett brett spektrum av tumörtyper, och planer pågår redan för utveckling av en avancerad enhet samt testning för andra cancertyper, inklusive lung- och bukspottkörtelcancer. Han säger att han föreställer sig en dag då en apparat som hans skulle kunna användas inte bara för regelbunden uppföljning av patienter som har haft cancer, men i rutinmässig cancerscreening.

"Tänk dig att gå till doktorn för din årliga fysiska, ”, sade han. ”Du har blod som dras och att ettablodprovburken finnas testat för ett heltäckande uppbåd av cancercellmarkörer. Cancer skulle fångas i deras tidigaste skede och andra stadier av utveckling, och läkare skulle ha nödvändig protein eller genetisk information från dessa fångade celler för att anpassa din behandling baserat på de specifika markörerna för din cancer. Det här skulle verkligen vara ett sätt att lägga din hälsa i dina egna händer."