Als we biologische cellen onder een microscoop bekijken, ze zijn meestal niet erg kleurrijk. Normaal gesproken, om ze te visualiseren, moeten we kunstmatig kleur toevoegen, meestal door te kleuren. Door het zo te doen, we kunnen hun vorm en rangschikking in een weefsel zien en bepalen of ze gezond zijn of niet.

Soms, Hoewel, celstructuur alleen is niet voldoende om een ​​ziekte nauwkeurig te identificeren, wat kan leiden tot een verkeerde diagnose en mogelijk fatale gevolgen voor een patiënt. Maar wat als er een manier was om niet alleen de structuur van cellen te zien, maar ook bepalen of ze abnormaal zijn, gewoon door onder een microscoop naar hun intrinsieke kleur te kijken?

Dit was het doel van ons team toen we een nieuw medisch diagnostisch hulpmiddel ontwikkelden, de NanoMslide. We hebben een standaard microscoopglaasje aangepast om er een krachtig hulpmiddel van te maken voor het opsporen van borstkanker. Ons onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuur .

Vroege detectie is de sleutel

Naar schatting krijgt één op de acht Australische vrouwen op 85-jarige leeftijd de diagnose borstkanker. Zoals met de meeste vormen van kanker, vroeg vangen van de ziekte is van cruciaal belang. Echter, een nauwkeurige diagnose van de vroegste stadia van borstkanker vereist het identificeren van kleine aantallen zieke cellen in een weefsel, wat ongelooflijk uitdagend kan zijn.

De NanoMslide kan licht manipuleren op nanoschaal, waardoor cellen "oplichten" met een levendig kleurcontrast. Dit maakt het gemakkelijker om mogelijk kankercellen (of goedaardige afwijkingen) in het weefsel te herkennen.

Door een manier te bieden om direct te onderscheiden welke cellen kanker kunnen zijn, de tool kan helpen om de huidige onzekerheid over de opsporing van borstkanker in een zeer vroeg stadium te verminderen. Met mammografiescreening, het onderscheiden van borstafwijkingen van vroege borstkanker bij biopsie is erg belangrijk, vooral omdat het percentage verkeerde diagnoses kan oplopen tot 15%.

Grote barrières in ontwikkeling

Het incorporeren van nanotechnologie in medische diagnostiek brengt een aantal uitdagingen met zich mee. Het kostte ons zes jaar ontwikkeling om ervoor te zorgen dat NanoMslide effectief zou werken. Uiteindelijk was het een combinatie van geavanceerde nanofabricage, een aanzienlijke hoeveelheid vallen en opstaan ​​en een beetje geluk die tot onze doorbraak hebben geleid.

Al decenia, onderzoekers hebben geweten dat kankercellen de neiging hebben om op een andere manier met licht om te gaan dan gezonde cellen. Dit komt door verschillende factoren, zoals de verdeling van eiwit in de cel en verschillen in de algemene vorm.

De grootste uitdaging is dat deze verschillen uiterst subtiel kunnen zijn en zich op verschillende manieren kunnen voordoen. Eerdere benaderingen om kankercellen te differentiëren (zonder gebruik te maken van vlekken of labels) hadden de neiging om gespecialiseerde microscopie-apparatuur te gebruiken, of complexe technieken.

Maar deze benaderingen zijn moeilijk in te passen in bestaande pathologieworkflows en kunnen specialistische training en kennis vereisen. Daarom hebben we het radicaal anders aangepakt.

Succes met menselijk weefsel

In plaats van zich te concentreren op het ontwikkelen van een betere microscoop, we hebben ons in plaats daarvan gericht op het verbeteren van het microscoopglaasje.

Door een speciale nanogefabriceerde coating te ontwikkelen, we hebben het oppervlak van een gewoon objectglaasje aangepast en het omgevormd tot één enorme sensor. Wat echt opmerkelijk is, is dat de structuren van de sensor slechts een paar honderd nanometer groot zijn, toch met verbazingwekkende precisie worden herhaald over een gebied van tientallen centimeters, of meer.

Door dit niveau van precisie te behouden, die nodig is voor een betrouwbare fabricage op deze schaal, heeft vooruitgang geboekt in nanofabricagetechnieken die pas in de afgelopen zes jaar commercieel beschikbaar zijn geworden.

De sensor wordt geactiveerd door zichtbaar licht. En wanneer een object zoals een weefsel of een enkele cel in contact komt met het oppervlak van de sensor, kleuren worden geproduceerd. Het is deze functie die we hebben kunnen optimaliseren, zodat pathologen cellen kunnen detecteren die waarschijnlijk kankerachtig zijn, gewoon door naar ze te kijken.

De kleurstoffen die momenteel worden gebruikt om weefsels te kleuren (om de celvorm en architectuur te visualiseren), zijn normaal gesproken aanwezig als een of twee kleuren. De NanoMslide geeft weefsels in prachtig full-color contrast weer, waardoor het gemakkelijker wordt om meerdere celtypen op een enkele dia te onderscheiden.

Voor onze studie, we hebben de glaasjes getest met deskundige borstkankerpathologen, met behulp van zowel een muismodel als patiëntweefsel. Door te beginnen met een goed gekarakteriseerd kleindiermodel, ons team van fysici, kankeronderzoekers en borstpathologen konden de technologie verder ontwikkelen.

Uiteindelijk bereikten we het punt waarop we er zeker van konden zijn dat sommige van de specifieke zichtbare kleuren indicatief waren voor kankercellen. Dit leidde tot verdere pathologische beoordelingen met patiëntweefsel, waar er meer complexiteit is om mee te kampen in termen van diagnose.

Nog, zelfs in deze meer uitdagende omgeving, de NanoMslide presteerde sterk. Het presteerde ook beter dan sommige commerciële biomarkers, die worden gebruikt als hulpmiddel bij borderline-diagnoses (waarbij kanker moeilijk te onderscheiden is van goedaardige afwijkingen).

Zoals de overgang van zwart-wit naar kleurentelevisie

Omdat de technologie niet afhankelijk is van een speciale functie, of specifieke moleculaire interacties, het kan mogelijk worden toegepast op andere soorten kanker, zelfs op andere soorten ziekten. Een andere toepassing waaraan nu wordt gewerkt, is het onderzoeken van de resultaten van vloeibare biopsieën, zoals wanguitstrijkjes, voor onmiddellijke point-of-care-analyse.

In april, we hadden het geluk om te profiteren van de opening van een nieuw instrument bij de Australian National Fabrication Facility om de productie op te schalen. Dit betekent dat NanoMslide kan worden verplaatst van kleinschalige naar middelgrote productie, waardoor we een aantal verschillende toepassingen kunnen verkennen, en produceer het aantal glaasjes dat nodig is voor verdere klinische validatie.

De technologie kan ook enorm nuttig zijn voor de groeiende ruimte voor digitale pathologie, waar de levendige kleuren die door NanoMslide worden gegenereerd, kunnen helpen bij het ontwikkelen van kunstmatige intelligentie-algoritmen van de volgende generatie om tekenen van ziekte te identificeren.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.