Een nieuw ultragevoelig diagnostisch apparaat uitgevonden door onderzoekers van de Universiteit van Kansas, Het University of Kansas Cancer Center en het KU Medical Center zouden artsen in staat kunnen stellen kanker snel op te sporen via een druppel bloed of plasma, wat leidt tot snellere interventies en betere resultaten voor patiënten.

Het "lab-on-a-chip" voor "vloeibare biopsie" analyse, vandaag gemeld in Natuur Biomedische Technologie , detecteert exosomen - kleine pakketjes biologische informatie geproduceerd door tumorcellen om tumorgroei of metastasering te stimuleren.

"Historisch, mensen dachten dat exosomen als 'vuilniszakken' waren die cellen konden gebruiken om ongewenste celinhoud te dumpen, " zei hoofdauteur Yong Zeng, Docking Family Scholar en universitair hoofddocent scheikunde aan de KU. "Maar in het afgelopen decennium wetenschappers realiseerden zich dat ze heel nuttig waren voor het verzenden van berichten naar ontvangende cellen en het communiceren van moleculaire informatie die belangrijk is voor veel biologische functies. In principe, tumoren sturen exosomen die actieve moleculen verpakken die de biologische kenmerken van de oudercellen weerspiegelen. Terwijl alle cellen exosomen produceren, tumorcellen zijn echt actief in vergelijking met normale cellen."

De belangrijkste innovatie van het nieuwe lab-on-a-chip is een 3D-nano-engineeringmethode die biologische elementen mengt en waarneemt op basis van een visgraatpatroon dat veel voorkomt in de natuur, exosomen veel efficiënter in contact te brengen met het detectieoppervlak van de chip in een proces dat 'massaoverdracht' wordt genoemd.

"Mensen hebben slimme ideeën ontwikkeld om de massaoverdracht in microschaalkanalen te verbeteren, maar wanneer deeltjes dichter bij het sensoroppervlak komen, ze worden gescheiden door een kleine vloeistofspleet die een toenemende hydrodynamische weerstand creëert, zei Zeng. "Hier, we hebben een 3D-nanoporeuze visgraatstructuur ontwikkeld die de vloeistof in die opening kan afvoeren om de deeltjes in hard contact te brengen met het oppervlak waar sondes ze kunnen herkennen en vangen."

Zeng vergeleek de nanoporiën van de chip met een miljoen kleine gootstenen:"Als je een gootsteen hebt gevuld met water en veel ballen op het oppervlak, hoe krijg je alle ballen in contact met de bodem van de gootsteen waar sensoren ze kunnen analyseren? De gemakkelijkste manier is om het water af te voeren."

Om het baanbrekende microfluïdische apparaat te ontwikkelen en te testen, Zeng werkte samen met een expert op het gebied van tumorbiomarkers en adjunct-directeur van het KU Cancer Center, Andrew Godwin, van de afdeling Pathologie en Laboratoriumgeneeskunde van het KU Medisch Centrum, evenals afgestudeerde student Ashley Tetlow in Godwin's Biomarker Discovery Lab. De medewerkers testten het ontwerp van de chip met behulp van klinische monsters van patiënten met eierstokkanker, het vinden van de chip zou de aanwezigheid van kanker in een minuscule hoeveelheid plasma kunnen detecteren.

"Onze gezamenlijke studies blijven vruchten afwerpen en bevorderen een gebied dat cruciaal is in kankeronderzoek en patiëntenzorg, namelijk:innovatieve tools voor vroege opsporing, " zei Godwin, die fungeert als Chancellor's Distinguished Chair en Professor in Biomedical Sciences en professor en directeur van moleculaire oncologie, pathologie en laboratoriumgeneeskunde aan het KU Medisch Centrum. "Dit studiegebied is vooral belangrijk voor kankers zoals eierstok-, aangezien de overgrote meerderheid van de vrouwen in een vergevorderd stadium wordt gediagnosticeerd wanneer, helaas, de ziekte is voor het grootste deel ongeneeslijk."

Bovendien, de nieuwe microfluïdische chips die aan de KU zijn ontwikkeld, zouden goedkoper en gemakkelijker te maken zijn dan vergelijkbare ontwerpen, waardoor patiënten breder en goedkoper kunnen worden getest.

"Wat we hier hebben gemaakt, is een 3D-methode voor nanopatronen zonder de noodzaak van luxe nanofabricageapparatuur - een student of zelfs een middelbare scholier kan het in mijn laboratorium doen, " Zeng zei. "Dit is zo eenvoudig en goedkoop dat het een groot potentieel heeft om te vertalen naar klinische instellingen. We hebben samengewerkt met Dr. Godwin en andere onderzoekslaboratoria van het KU Cancer Center en de afdeling moleculaire biowetenschappen om de translationele toepassingen van de technologie verder te onderzoeken."

Volgens Zeng, met het ontwerp van de microfluïdische chip nu bewezen met behulp van eierstokkanker als model, de chip kan nuttig zijn bij het opsporen van tal van andere ziekten.

"Nutsvoorzieningen, we kijken naar celcultuurmodellen, diermodellen, en ook klinische patiëntmonsters, dus we doen echt wat translationeel onderzoek om het apparaat van de laboratoriumomgeving naar meer klinische toepassingen te verplaatsen, " zei hij. "Bijna alle zoogdiercellen geven exosomen af, dus de toepassing is niet alleen beperkt tot eierstokkanker of een bepaald type kanker. We werken met mensen om te kijken naar neurodegeneratieve ziekten, borst- en darmkanker, bijvoorbeeld."

Op de Lawrence-campus van de KU, Zeng werkte met een team waaronder postdoctoraal collega Peng Zhang, afgestudeerde student Xin Zhou in de afdeling Scheikunde, evenals Mei He, KU-assistent-professor scheikunde en chemische technologie.

Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van National Institutes of Health, inclusief een gezamenlijke R21 (CA1806846) en een R33 (CA214333) subsidie ​​tussen Zeng en Godwin en de Biospecimen Repository Core Facility van het KU Cancer Center, gedeeltelijk gefinancierd door een National Cancer Institute Cancer Center Support Grant (P30 CA168524).