science >> Wetenschap >  >> Chemie

3D-geprint apparaat vindt naald in hooiberg kankercellen door hooi te verwijderen

Een 3D-geprinte celval ontwikkeld in het laboratorium van Georgia Tech Assistant Professor A. Fatih Sarioglu vangt bloedcellen om tumorcellen te isoleren uit een bloedmonster. Krediet:Allison Carter, Georgië Tech

Het vinden van een handvol kankercellen die zich tussen miljarden bloedcellen in een patiëntenmonster verbergen, kan zijn als het vinden van een naald in een hooiberg. In een nieuwe benadering mogelijk gemaakt door 3D-geprinte celvallen, onderzoekers verwijderen het hooi om de kankercellen bloot te leggen.

Door de witte bloedcellen op te sluiten - die ongeveer zo groot zijn als kankercellen - en kleinere rode bloedcellen eruit te filteren, blijven de tumorcellen achter, die vervolgens kunnen worden gebruikt om de ziekte te diagnosticeren, kunnen mogelijk vroege waarschuwingen voor herhaling bieden en onderzoek naar het uitzaaiingsproces van kanker mogelijk maken. Het werk, geleid door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, zou het doel van gepersonaliseerde kankerbehandeling kunnen bevorderen door een snelle en goedkope scheiding van tumorcellen die in de bloedbaan circuleren mogelijk te maken.

"Het isoleren van circulerende tumorcellen uit volbloedmonsters was een uitdaging omdat we op zoek zijn naar een handvol kankercellen gemengd met miljarden normale rode en witte bloedcellen, " zei A. Fatih Sarioglu, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE). "Met dit apparaat we kunnen een klinisch relevant bloedvolume verwerken door bijna alle witte bloedcellen op te vangen en vervolgens de rode bloedcellen op grootte eruit te filteren. Dat laat ons met onbeschadigde tumorcellen die kunnen worden gesequenced om het specifieke kankertype en de unieke kenmerken van de tumor van elke patiënt te bepalen."

Het onderzoek werd op 20 september gerapporteerd in het tijdschrift Lab op een chip , en werd ondersteund door een startsubsidie ​​van het Integrated Cancer Research Center van Georgia Tech.

Andere pogingen om circulerende tumorcellen te vangen, hebben geprobeerd ze uit het bloed te halen met behulp van microfluïdische technologie die specifieke oppervlaktemarkers op de kankercellen herkent. Maar omdat de kanker in de loop van de tijd kan veranderen, de kwaadaardige cellen kunnen niet met zekerheid worden herkend. En zelfs als ze kunnen worden gevangen, de tumorcellen moeten worden verwijderd uit omslachtige kanalen in het apparaat en worden gescheiden van het antigeen zonder schade te veroorzaken.

Afgestudeerde student Chia-Heng Chu past een 3D-geprinte celval aan in het laboratorium van assistent-professor A. Fatih Sarioglu van Georgia Tech. De val vangt witte bloedcellen op om tumorcellen uit een bloedmonster te isoleren. Krediet:Allison Carter, Georgië Tech

Sarioglu en medewerkers, inclusief ECE-afgestudeerde student en eerste auteur Chia-Heng Chu, besloten tot een andere aanpak, 3D-geprinte vallen bouwen die zijn bekleed met antigenen om de witte bloedcellen in een monster te vangen. Dankzij de 3D-geprinte vallen konden de onderzoekers het oppervlak voor het opvangen van de witte bloedcellen in bloedmonsters aanzienlijk vergroten. Zigzaggende vloeistofkanalen, sommige wel een halve meter lang, vergroot de kans dat elke witte bloedcel in contact komt met een kanaalwand.

"Gebruikelijke microfluïdische apparaten hebben slechts een enkele laag met kanaalhoogten van 50 tot 100 micron, " zei Sarioglu. "Ze zijn dik, maar het meeste is gewoon leeg plastic. Het gebruik van 3D-printen bevrijdt ons van het enkele kanaal en stelt ons in staat om veel kanalen in drie dimensies te creëren die de ruimte beter benutten."

Terwijl het 3D-printen een toename van de kanaaldichtheid mogelijk maakte, dat kwam met een flinke uitdaging. Eerdere microfluïdische apparaten konden worden ontworpen met geëtste kanalen om het bloed te vervoeren. Maar met 3D-printprocessen die laag voor laag worden gefabriceerd, kanalen moesten worden gevuld met was om meer kanalen bovenop hen te kunnen bouwen. De martelende kanaalstructuur, ontworpen om de celwandinteractie te maximaliseren, maakte het vrijwel onmogelijk om de was er na fabricage uit te krijgen.

De oplossing was om celvallen te ontwerpen die passen in standaardcentrifuges die zijn ontworpen om monsters te draaien voor scheiding. De vallen werden in de centrifuge verwarmd en vervolgens rondgedraaid om de gesmolten was te laten ontsnappen. Na het verwijderen van de vloeibare was, de kanalen kregen de antigeencoating.

Nadat de witte bloedcellen zijn verwijderd, de kleinere rode bloedcellen gaan door een eenvoudig commercieel filter dat de kankercellen en eventuele resterende witte bloedcellen opvangt. De tumorcellen kunnen dan uit het filter worden verwijderd, die is geïntegreerd in het 3D-geprinte apparaat.

Georgia Tech Graduate Student Chia-Heng Chu en assistent-professor A. Fatih Sarioglu onderzoeken tumorcellen die zijn vastgelegd met behulp van hun 3D-geprinte celval. De val vangt witte bloedcellen op om tumorcellen uit een bloedmonster te isoleren. Krediet:Allison Carter, Georgië Tech

Minimale verwerking van bloedmonsters is een doel van het project om het proces beschikbaar te maken voor klinieken en ziekenhuizen zonder gespecialiseerde technische vaardigheden. Minder verwerking vermindert ook het risico op schade aan de tumorcellen en minimaliseert andere cellulaire veranderingen die de evaluatie zouden kunnen vertekenen.

Als onderdeel van de proof of principle-testen, de onderzoekers bedekten de witte bloedcellen met biotine om het testen te versnellen. Toekomstige celvallen zullen antigenen gebruiken die zijn ontworpen om de cellen naar de kanaalwanden te trekken zonder de biotineverwerkingsstap.

De onderzoekers testten hun aanpak door kankercellen toe te voegen aan bloed van gezonde mensen. Omdat ze wisten hoeveel cellen er waren toegevoegd, ze konden vertellen hoeveel ze er moesten halen, en het experiment toonde aan dat de val ongeveer 90 procent van de tumorcellen kon vangen. Later testen van bloedmonsters van prostaatkankerpatiënten isoleerde tumorcellen uit een 10 milliliter volbloedmonster.

Het testen omvatte cellen van de prostaat, borst- en eierstokkanker, maar Sarioglu gelooft dat het apparaat circulerende tumorcellen van elk type kanker zal opvangen, omdat het verwijderingsmechanisme zich richt op bloedcellen in plaats van op kankercellen.

De volgende stappen zijn het verkleinen van de kanalen in het apparaat, test de verwijdering van witte bloedcellen zonder het gebruik van biotine, verhoog het percentage witte celextractie en sluit celvallen aan om de vangcapaciteit te vergroten.

"We verwachten dat dit echt een hulpmiddel zal zijn voor clinici, " zei Sarioglu. "In ons laboratorium, de mentaliteit is altijd gericht op het vertalen van ons onderzoek door het apparaat eenvoudig genoeg te maken voor gebruik in ziekenhuizen, klinieken en andere faciliteiten die zullen helpen bij het diagnosticeren van ziekten bij patiënten."