Ingenieurs van Stanford University hebben een klein, autonoom apparaat gemaakt met een rekbare en flexibele sensor die op de huid kan worden geplakt om de veranderende grootte van de onderstaande tumoren te meten. Het niet-invasieve, batterijgevoede apparaat is gevoelig voor een honderdste millimeter (10 micrometer) en kan met een druk op de knop in realtime draadloos resultaten naar een smartphone-app sturen.

In praktische termen zeggen de onderzoekers dat hun apparaat - FAST genoemd voor "Flexibele autonome sensor die tumoren meet" - een geheel nieuwe, snelle, goedkope, handsfree en nauwkeurige manier vertegenwoordigt om de werkzaamheid van kankermedicijnen te testen. Op grotere schaal zou het kunnen leiden tot veelbelovende nieuwe richtingen in de behandeling van kanker. FAST wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd op 16 september in Science Advances.

Elk jaar testen onderzoekers duizenden potentiële kankermedicijnen op muizen met onderhuidse tumoren. Er zijn er maar weinig die menselijke patiënten bereiken, en het proces voor het vinden van nieuwe therapieën is traag omdat technologieën voor het meten van tumorregressie van medicamenteuze behandeling weken duren om een ​​reactie uit te lezen. De inherente biologische variatie van tumoren, de tekortkomingen van bestaande meetmethoden en de relatief kleine steekproefomvang maken het screenen van geneesmiddelen moeilijk en arbeidsintensief.

"In sommige gevallen moeten de tumoren die worden geobserveerd met de hand worden gemeten met een schuifmaat", zegt Alex Abramson, eerste auteur van de studie en een recente postdoc in het laboratorium van Zhenan Bao, de K.K. Lee Professor in Chemical Engineering aan de Stanford School of Engineering.

Het gebruik van metalen tangachtige schuifmaten om zachte weefsels te meten is niet ideaal, en radiologische benaderingen kunnen niet het soort continue gegevens opleveren dat nodig is voor realtime beoordeling. FAST kan veranderingen in tumorvolume detecteren op de minuutschaal, terwijl metingen van schuifmaat en bioluminescentie vaak wekenlange observatieperioden vereisen om veranderingen in tumorgrootte uit te lezen.

De kracht van goud

De sensor van FAST is samengesteld uit een flexibel en rekbaar huidachtig polymeer met een ingebedde laag goudcircuits. Deze sensor is verbonden met een kleine elektronische rugzak ontworpen door voormalig postdocs en co-auteurs Yasser Khan en Naoji Matsuhisa. Het apparaat meet de belasting van het membraan - hoeveel het uitrekt of krimpt - en verzendt die gegevens naar een smartphone. Met behulp van de FAST-rugzak kunnen potentiële therapieën die verband houden met de regressie van de tumorgrootte snel en met vertrouwen worden uitgesloten als ineffectief of als versneld voor verder onderzoek.

Op basis van studies met muizen zeggen de onderzoekers dat het nieuwe apparaat minstens drie belangrijke voordelen biedt. Ten eerste biedt het continue monitoring, omdat de sensor fysiek is verbonden met de muis en gedurende de gehele experimentele periode op zijn plaats blijft. Ten tweede omhult de flexibele sensor de tumor en kan daardoor vormveranderingen meten die met andere methoden moeilijk te onderscheiden zijn. Ten derde is FAST zowel autonoom als niet-invasief. Het is verbonden met de huid - niet anders dan een zelfklevend verband - werkt op batterijen en is draadloos verbonden. De muis kan vrij bewegen, niet gehinderd door het apparaat of de draden, en wetenschappers hoeven de muizen niet actief te hanteren na plaatsing van de sensor. FAST-pakketten zijn ook herbruikbaar, kosten ongeveer $ 60 om in elkaar te zetten en kunnen binnen enkele minuten aan de muis worden bevestigd.

De doorbraak zit in het flexibele elektronische materiaal van FAST. Bovenop het huidachtige polymeer is een laag goud aangebracht, die, wanneer uitgerekt, kleine scheurtjes ontwikkelt die de elektrische geleidbaarheid van het materiaal veranderen. Rek het materiaal uit en het aantal scheuren neemt toe, waardoor ook de elektronische weerstand in de sensor toeneemt. Wanneer het materiaal samentrekt, komen de scheuren weer in contact en verbetert de geleidbaarheid.

Zowel Abramson als co-auteur Matsuhisa, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Tokyo, beschreven hoe deze scheurvoortplanting en exponentiële veranderingen in geleidbaarheid wiskundig kunnen worden gelijkgesteld met veranderingen in afmeting en volume.

Een hindernis die de onderzoekers moesten overwinnen, was de zorg dat de sensor zelf de metingen zou kunnen compromitteren door onnodige druk uit te oefenen op de tumor, waardoor deze effectief wordt samengedrukt. Om dat risico te omzeilen, hebben ze de mechanische eigenschappen van het flexibele materiaal zorgvuldig op de huid afgestemd om de sensor zo buigzaam en soepel te maken als een echte huid.

"Het is een bedrieglijk eenvoudig ontwerp", zegt Abramson, "maar deze inherente voordelen zouden zeer interessant moeten zijn voor de farmaceutische en oncologische gemeenschappen. FAST zou het proces van screening van kankertherapieën aanzienlijk kunnen versnellen, automatiseren en verlagen." + Verder verkennen

Nieuw draagbaar apparaat meet de veranderende grootte van tumoren onder de huid