Elektroingenjörer, datavetare och biomedicinska ingenjörer vid University of California, Irvine har skapat ett nytt lab-on-a-chip som kan hjälpa till att studera tumörheterogenitet för att minska motståndskraften mot cancerterapier.

I en tidning som publicerades idag i Avancerade biosystem , forskarna beskriver hur de kombinerade artificiell intelligens, mikrofluidik och nanopartikel bläckstråleutskrift i en enhet som möjliggör undersökning och differentiering av cancer och friska vävnader på encellsnivå.

"Cancercells- och tumörheterogenitet kan leda till ökad terapeutisk resistens och inkonsekventa resultat för olika patienter, " sa huvudförfattaren Kushal Joshi, en före detta UCI doktorand i biomedicinsk teknik. Teamets nya biochip tar itu med detta problem genom att tillåta exakt karakterisering av en mängd olika cancerceller från ett prov.

"Encellsanalys är avgörande för att identifiera och klassificera cancertyper och studera cellulär heterogenitet. Det är nödvändigt att förstå tumörinitiering, progression och metastaser för att utforma bättre läkemedel för cancerbehandling, " sa medförfattaren Rahim Esfandyarpour, UCI biträdande professor i elektroteknik &datavetenskap samt biomedicinsk teknik. "De flesta av de tekniker och tekniker som traditionellt används för att studera cancer är sofistikerade, stor och tung, dyr, och kräver högutbildade operatörer och långa förberedelsetider."

Han sa att hans grupp övervann dessa utmaningar genom att kombinera maskininlärningstekniker med tillgänglig bläckstråleutskrift och mikrofluidikteknik för att utveckla låg kostnad, miniatyriserade biochips som är enkla att prototypera och som kan klassificera olika celltyper.

I apparaten, prover färdas genom mikrofluidkanaler med noggrant placerade elektroder som övervakar skillnader i de elektriska egenskaperna hos sjuka jämfört med friska celler i ett enda pass. UCI-forskarnas innovation var att ta fram ett sätt att prototyper av viktiga delar av biochippet på cirka 20 minuter med en bläckstråleskrivare, möjliggör enkel tillverkning i olika miljöer. De flesta av de inblandade materialen är återanvändbara eller, om det går att använda, billig.

En annan aspekt av uppfinningen är införlivandet av maskininlärning för att hantera den stora mängden data som det lilla systemet producerar. Denna gren av AI påskyndar bearbetningen och analysen av stora datamängder, hitta mönster och associationer, förutsäga exakta resultat, och hjälpa till med snabbt och effektivt beslutsfattande.

Genom att inkludera maskininlärning i biochippens arbetsflöde, teamet har förbättrat analysens noggrannhet och minskat beroendet av skickliga analytiker, vilket också kan göra tekniken tilltalande för medicinsk personal i utvecklingsländerna, sa Esfandyarpour.

"Världshälsoorganisationen säger att nästan 60 procent av dödsfallen i bröstcancer sker på grund av brist på tidiga upptäcktsprogram i länder med knappa resurser, " sa han. "Vårt arbete har potentiella tillämpningar i encellsstudier, i tumörheterogenitetsstudier och, kanske, i point-of-care cancerdiagnostik – särskilt i utvecklingsländer där det kostar, begränsad infrastruktur och begränsad tillgång till medicinsk teknik är av yttersta vikt."