MIT-onderzoekers hebben een nieuw microfluïdisch apparaat 3D-geprint dat kankerbehandelingen simuleert op biopsie van tumorweefsel, zodat clinici beter kunnen onderzoeken hoe individuele patiënten zullen reageren op verschillende therapieën - voordat ze een enkele dosis toedienen.

Het testen van kankerbehandelingen is tegenwoordig vooral gebaseerd op vallen en opstaan; patiënten kunnen meerdere tijdrovende en moeilijk te verdragen therapieën ondergaan om er een te vinden die werkt. Recente innovaties in de farmaceutische ontwikkeling omvatten het kweken van kunstmatige tumoren om medicijnen te testen op specifieke kankertypes. Maar deze modellen hebben weken nodig om te groeien en houden geen rekening met de biologische samenstelling van een individuele patiënt, die de werkzaamheid van de behandeling kunnen beïnvloeden.

Het apparaat van de onderzoekers, die in ongeveer een uur kan worden afgedrukt, is een chip die iets groter is dan een kwart, met drie cilindrische "schoorstenen" die uit het oppervlak oprijzen. Dit zijn poorten die worden gebruikt voor het in- en afvoeren van vloeistoffen, evenals het verwijderen van ongewenste luchtbellen. Gebiopteerde tumorfragmenten worden in een kamer geplaatst die is verbonden met een netwerk van kanalen die vloeistoffen afleveren - bevattende, bijvoorbeeld, immunotherapiemiddelen of immuuncellen - naar het weefsel. Clinici kunnen vervolgens verschillende beeldvormende technieken gebruiken om te zien hoe het weefsel op de medicijnen reageert.

Een belangrijk kenmerk was het gebruik van een nieuwe biocompatibele hars - traditioneel gebruikt voor tandheelkundige toepassingen - die de overleving op lange termijn van biopsieweefsel kan ondersteunen. Hoewel eerdere 3D-geprinte microfluïdica veelbelovend waren voor het testen van medicijnen, chemicaliën in hun hars doden cellen meestal snel. De onderzoekers maakten fluorescentiemicroscopiebeelden die hun apparaat laten zien, een tumoranalyseplatform (TAP) genoemd, hield meer dan 90 procent van het tumorweefsel gedurende ten minste 72 uur in leven, en mogelijk nog veel langer.

Omdat het 3D-geprinte apparaat gemakkelijk en goedkoop te fabriceren is, het kan snel worden geïmplementeerd in klinische omgevingen, zeggen de onderzoekers. Artsen konden, bijvoorbeeld, print een multiplex apparaat dat meerdere tumormonsters tegelijk kan ondersteunen, om het modelleren van de interacties tussen tumorfragmenten en veel verschillende geneesmiddelen mogelijk te maken, tegelijkertijd, voor een enkele patiënt.

"Mensen overal ter wereld zouden ons ontwerp kunnen printen. U kunt zich een toekomst voorstellen waarin uw arts een 3D-printer zal hebben en de apparaten naar behoefte kan afdrukken, " zegt Luis Fernando Velásquez-García, een onderzoeker in de Microsystems Technology Laboratories en co-auteur van een paper waarin het apparaat wordt beschreven, die verschijnt in het decembernummer van het Journal of Microelectromechanical Systems. "Als iemand kanker heeft, je kunt een beetje tissue in ons apparaat nemen, en de tumor in leven houden, om meerdere tests parallel uit te voeren en erachter te komen wat het beste zou werken met de biologische samenstelling van de patiënt. En implementeer die behandeling vervolgens bij de patiënt."

Een veelbelovende toepassing is het testen van immunotherapie, een nieuwe behandelmethode waarbij bepaalde medicijnen worden gebruikt om het immuunsysteem van een patiënt te stimuleren om kanker te bestrijden. (De Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde van dit jaar werd toegekend aan twee onderzoekers op het gebied van immunotherapie die geneesmiddelen hebben ontworpen die voorkomen dat bepaalde eiwitten voorkomen dat het immuunsysteem kankercellen aanvalt.) Het apparaat van de onderzoekers zou artsen kunnen helpen behandelingen beter te identificeren waarvoor een persoon waarschijnlijk reageren.

"Immunotherapiebehandelingen zijn specifiek ontwikkeld om zich te richten op moleculaire markers die op het oppervlak van kankercellen worden gevonden. Dit helpt ervoor te zorgen dat de behandeling direct een aanval op de kanker uitlokt, terwijl de negatieve effecten op gezond weefsel worden beperkt. de kanker van elk individu brengt een unieke reeks oppervlaktemoleculen tot expressie - als zodanig, het kan moeilijk zijn om te voorspellen wie op welke behandeling zal reageren. Ons apparaat gebruikt het werkelijke weefsel van de persoon, dus perfect geschikt voor immunotherapie, " zegt eerste auteur Ashley Beckwith SM '18, een afgestudeerde onderzoeker in de onderzoeksgroep van Velásquez-García.

Co-auteur van het papier is Jeffrey T. Borenstein, een onderzoeker bij Draper.

Ondersteunende cellen

Microfluidics-apparaten worden traditioneel vervaardigd via micromolding, met behulp van een rubberachtig materiaal genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS). Deze techniek, echter, was niet geschikt voor het creëren van het driedimensionale netwerk van kenmerken - zoals vloeistofkanalen van zorgvuldig formaat - die kankerbehandelingen op levende cellen nabootsen. In plaats daarvan, de onderzoekers wendden zich tot 3D-printen om een ​​verfijnd apparaat "monolithisch" te maken, wat inhoudt dat een object in één keer wordt afgedrukt, zonder de noodzaak om losse onderdelen te monteren.

Het hart van het apparaat is de hars. Na een aantal maanden geëxperimenteerd te hebben met talrijke harsen, de onderzoekers landden uiteindelijk op Pro3dure GR-10, die voornamelijk wordt gebruikt om gebitsbeschermers te maken die beschermen tegen tandenknarsen. Het materiaal is bijna net zo transparant als glas, heeft nauwelijks oppervlaktegebreken, en kan in zeer hoge resolutie worden afgedrukt. En, belangrijk, zoals de onderzoekers hebben vastgesteld, het heeft geen negatieve invloed op de overleving van cellen.

Het team onderwierp de hars aan een 96 uur durende cytotoxiciteitstest, een test die cellen blootstelt aan het gedrukte materiaal en meet hoe giftig dat materiaal is voor de cellen. Na de 96 uur, de cellen in het materiaal schopten nog steeds. "Als je sommige van deze andere harsmaterialen afdrukt, ze stoten chemicaliën uit die met cellen knoeien en ze doden. Maar dit doet dat niet, " zegt Velasquez-Garcia. "Voor zover ik weet, er is geen ander afdrukbaar materiaal dat in de buurt komt van deze mate van inertie. Het is alsof het materiaal er niet is."

Vallen instellen

Twee andere belangrijke innovaties op het apparaat zijn de 'bubbelval' en een 'tumorval'. Door vloeistoffen in zo'n apparaat te laten stromen, ontstaan ​​er bellen die het experiment kunnen verstoren of kunnen barsten, waardoor lucht vrijkomt die tumorweefsel vernietigt.

Om dat op te lossen, de onderzoekers creëerden een bellenval, een stevige "schoorsteen" die uit het vloeistofkanaal oprijst in een van schroefdraad voorziene poort waardoor lucht ontsnapt. Vloeistof—inclusief verschillende media, fluorescerende markeringen, of lymfocyten - wordt geïnjecteerd in een inlaatpoort naast de val. De vloeistof komt binnen via de inlaatpoort en stroomt langs de val, waar eventuele luchtbellen in de vloeistof door de schroefdraadpoort omhoog komen en uit het apparaat komen. Vloeistof wordt dan rond een kleine U-bocht in de kamer van de tumor geleid, waar het door en rond het tumorfragment stroomt.

Deze kamer voor het vangen van tumoren bevindt zich op de kruising van het grotere inlaatkanaal en vier kleinere uitlaatkanalen. tumor fragmenten, minder dan 1 millimeter breed, worden via de bellenvanger in het inlaatkanaal geïnjecteerd, die helpt bij het verwijderen van luchtbellen die tijdens het laden zijn geïntroduceerd. Terwijl vloeistof door het apparaat stroomt vanuit de inlaatpoort, de tumor wordt stroomafwaarts naar de tumorval geleid, waar het fragment wordt gevangen. De vloeistof gaat verder langs de uitlaatkanalen, die te klein zijn om de tumor erin te laten passen, en loopt uit het apparaat. Een continue vloeistofstroom houdt het tumorfragment op zijn plaats en vult constant voedingsstoffen voor de cellen aan.

"Omdat ons apparaat 3D-geprint is, we waren in staat om de geometrieën te maken die we wilden, in de materialen die we wilden, om de prestatie te bereiken die we wilden, in plaats van compromissen te sluiten tussen wat is ontworpen en wat zou kunnen worden geïmplementeerd - wat meestal gebeurt bij het gebruik van standaard microfabricage, ", zegt Velásquez-García. Hij voegt eraan toe dat 3D-printen binnenkort de reguliere productietechniek kan worden voor microfluïdica en andere microsystemen die complexe ontwerpen vereisen.

In dit experiment, de onderzoekers toonden aan dat ze een tumorfragment in leven konden houden en de levensvatbaarheid van het weefsel in realtime konden volgen met fluorescerende markers die het weefsel laten gloeien. Volgende, de onderzoekers willen testen hoe de tumorfragmenten reageren op echte therapieën.

"Het traditionele PDMS kan niet de structuren maken die je nodig hebt voor deze in vitro-omgeving die tumorfragmenten gedurende een aanzienlijke periode in leven kan houden, " zegt Roger Howe, een professor in elektrotechniek aan de Stanford University, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dat je nu zeer complexe vloeistofkamers kunt maken die realistischere omgevingen mogelijk maken voor het snel testen van verschillende medicijnen op tumoren, en mogelijk in klinische omgevingen, is een belangrijke bijdrage."

Howe prees de onderzoekers ook voor het harde werk bij het vinden van de juiste hars en het juiste ontwerp voor anderen om op voort te bouwen. "Ze zouden moeten worden gecrediteerd voor het plaatsen van die informatie ... omdat [voorheen] er niet bekend was of je de materialen of printtechnologie had om dit mogelijk te maken, " zegt hij. Nu "is het een gedemocratiseerde technologie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.