In plaats van te zoeken naar een speld in een hooiberg, wat als je de hele hooiberg opzij zou kunnen vegen, alleen de naald achterlaten? Dat is de strategie die onderzoekers van het University of Georgia College of Engineering volgden bij het ontwikkelen van een nieuw microfluïdisch apparaat dat ongrijpbare circulerende tumorcellen (CTC's) scheidt van een monster volbloed.

CTC's breken zich af van kankergezwellen en stromen door de bloedbaan, mogelijk leidend tot nieuwe uitgezaaide tumoren. De isolatie van CTC's uit het bloed biedt een minimaal invasief alternatief voor basisbegrip, diagnose en prognose van uitgezaaide kanker. Maar de meeste onderzoeken worden beperkt door technische uitdagingen bij het vastleggen van intacte en levensvatbare CTC's met minimale besmetting.

"Een typisch monster van 7 tot 10 milliliter bloed kan slechts enkele CTC's bevatten, " zei Leidong Mao, een professor in UGA's School of Electrical and Computer Engineering en de hoofdonderzoeker van het project. "Ze verstoppen zich in volbloed met miljoenen witte bloedcellen. Het is een uitdaging om voldoende CTC's te bemachtigen zodat wetenschappers ze kunnen bestuderen en begrijpen."

Circulerende tumorcellen zijn ook moeilijk te isoleren omdat binnen een monster van een paar honderd CTC's, de individuele cellen kunnen veel kenmerken vertonen. Sommige lijken op huidcellen, terwijl andere op spiercellen lijken. Ze kunnen ook sterk in grootte variëren.

"Mensen vergelijken het vinden van CTC's vaak met het vinden van een speld in een hooiberg, ' zei Mao. 'Maar soms is de naald niet eens een naald.'

Om deze zeldzame cellen sneller en efficiënter te isoleren voor analyse, Mao en zijn team hebben een nieuwe microfluïdische chip gemaakt die bijna elke CTC in een bloedmonster vastlegt - meer dan 99% - een aanzienlijk hoger percentage dan de meeste bestaande technologieën.

Het team noemt zijn nieuwe benadering van CTC-detectie "geïntegreerde ferrohydrodynamische celscheiding, " of iFCS. Ze schetsen hun bevindingen in een studie gepubliceerd in de Royal Society of Chemistry's Lab op een chip .

Het nieuwe apparaat zou "transformatief" kunnen zijn bij de behandeling van borstkanker, volgens Melissa Davis, een assistent-professor cel- en ontwikkelingsbiologie bij Weill Cornell Medicine en een medewerker aan het project.

"Artsen kunnen alleen behandelen wat ze kunnen detecteren, Davis zei. "We kunnen bepaalde subtypes van CTC's vaak niet detecteren, maar met het iFCS-apparaat zullen we alle subtypes van CTC's vastleggen en zelfs bepalen welke subtypes het meest informatief zijn met betrekking tot terugval en ziekteprogressie."

Davis is van mening dat het apparaat artsen uiteindelijk in staat zal stellen de reactie van een patiënt op specifieke behandelingen veel eerder te meten dan momenteel mogelijk is.

Terwijl de meeste inspanningen om circulerende tumorcellen te vangen zich richten op het identificeren en isoleren van de weinige CTC's die op de loer liggen in een bloedmonster, de iFCS pakt het heel anders aan door alles in het monster te elimineren dat geen circulerende tumorcel is.

Het apparaat, ongeveer de grootte van een USB-stick, werkt door bloed door kanalen te leiden die kleiner zijn dan een mensenhaar. Om bloed voor te bereiden voor analyse, het team voegt magnetische kralen van micronformaat toe aan de monsters. De witte bloedcellen in het monster hechten zich aan deze kralen. Terwijl het bloed door het apparaat stroomt, magneten aan de boven- en onderkant van de chip trekken de witte bloedcellen en hun magnetische kralen door een specifiek kanaal, terwijl de circulerende tumorcellen doorgaan naar een ander kanaal.

Het apparaat combineert drie stappen in één microfluïdische chip, nog een vooruitgang ten opzichte van bestaande technologieën die afzonderlijke apparaten vereisen voor verschillende stappen in het proces.

"De eerste stap is een filter dat grote vuildeeltjes in het bloed verwijdert, " zei Yang Liu, een doctoraatsstudent in de afdeling chemie van UGA en de co-hoofdauteur van de paper. "Het tweede deel put extra magnetische kralen en de meerderheid van de witte bloedcellen uit. Het derde deel is ontworpen om de resterende witte bloedcellen naar het midden van het kanaal te concentreren en CTC's naar de zijwanden te duwen."

Wujun Zhao is de andere hoofdauteur van de krant. Zhao, een postdoctoraal onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, werkte aan het project terwijl hij zijn doctoraat in de chemie aan de UGA afrondde.

"Het succes van ons geïntegreerde apparaat is dat het bijna alle CTC's kan verrijken, ongeacht hun grootteprofiel of antigeenexpressie, " zei Zhao. "Onze bevindingen hebben het potentieel om de kankeronderzoeksgemeenschap te voorzien van belangrijke informatie die mogelijk wordt gemist door de huidige op eiwitten gebaseerde of op grootte gebaseerde verrijkingstechnologieën."

De onderzoekers zeggen dat hun volgende stappen het automatiseren van de iFCS omvatten en het gebruiksvriendelijker maken voor klinische instellingen. Ze moeten het apparaat ook op de proef stellen in patiëntproeven. Mao en zijn collega's hopen dat extra medewerkers zich bij hen zullen aansluiten en hun expertise aan het project zullen ter beschikking stellen.