Een chip ontwikkeld door werktuigbouwkundigen van het Worcester Polytechnic Institute (WPI) kan uitgezaaide kankercellen vangen en identificeren in een kleine hoeveelheid bloed afgenomen van een kankerpatiënt. De baanbrekende technologie maakt gebruik van een eenvoudige mechanische methode waarvan is aangetoond dat deze effectiever is in het vangen van kankercellen dan de microfluïdische benadering die in veel bestaande apparaten wordt gebruikt.

Het WPI-apparaat maakt gebruik van antilichamen die zijn bevestigd aan een reeks koolstofnanobuisjes op de bodem van een kleine put. Kankercellen nestelen zich op de bodem van de put, waar ze selectief binden aan de antilichamen op basis van hun oppervlaktemarkers (in tegenstelling tot andere apparaten, de chip kan ook kleine structuren vangen die exosomen worden genoemd en die door kankercellen worden geproduceerd). Deze "vloeibare biopsie, " beschreven in een recent nummer van het tijdschrift Nanotechnologie , zou de basis kunnen worden van een eenvoudige laboratoriumtest die snel vroege tekenen van metastase kan detecteren en artsen kan helpen bij het selecteren van behandelingen die gericht zijn op de specifieke geïdentificeerde kankercellen.

Metastase is het proces waarbij een kanker zich van het ene orgaan naar andere delen van het lichaam kan verspreiden, meestal door in de bloedbaan te komen. Verschillende soorten tumoren vertonen een voorkeur voor specifieke organen en weefsels; circulerende borstkankercellen, bijvoorbeeld, zullen waarschijnlijk wortel schieten in botten, longen, en de hersenen. De prognose voor uitgezaaide kanker (ook wel stadium IV kanker genoemd) is over het algemeen slecht, dus een techniek die deze circulerende tumorcellen zou kunnen detecteren voordat ze de kans krijgen om nieuwe kolonies van tumoren te vormen op verre locaties, zou de overlevingskansen van een patiënt aanzienlijk kunnen vergroten.

"De focus op het vangen van circulerende tumorcellen is vrij nieuw, " zei Balaji Panchapakesan, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde bij WPI en directeur van het Small Systems Laboratory. "Het is een heel moeilijke uitdaging, niet anders dan zoeken naar een speld in een hooiberg. Er zijn miljarden rode bloedcellen, tienduizenden witte bloedcellen, en, misschien, slechts een klein aantal tumorcellen drijft ertussen. We hebben laten zien hoe die cellen met hoge precisie kunnen worden vastgelegd."

Het apparaat dat door het team van Panchapakesan is ontwikkeld, bevat een reeks kleine elementen, elk ongeveer een tiende inch (3 millimeter) breed. Elk element heeft een put, aan de onderkant zijn antilichamen bevestigd aan koolstofnanobuisjes. Elk putje bevat een specifiek antilichaam dat selectief zal binden aan één type kankerceltype, gebaseerd op genetische markers op het oppervlak. Door elementen te zaaien met een assortiment aan antilichamen, het apparaat zou kunnen worden ingesteld om verschillende soorten kankercellen te vangen met behulp van een enkel bloedmonster. In het labortorium, de onderzoekers waren in staat om in totaal 170 putjes te vullen met iets minder dan 0,3 fluid ounces (0,85 milliliter) bloed. Zelfs met die kleine steekproef, ze vingen tussen de één en duizend cellen per apparaat, met een opname-efficiëntie tussen 62 en 100 procent.

De koolstofnanobuisjes die in het apparaat worden gebruikt, werken als halfgeleiders. Wanneer een kankercel zich bindt aan een van de aangehechte antilichamen, het creëert een elektrische handtekening die kan worden gedetecteerd. Deze signalen kunnen worden gebruikt om te identificeren welke van de elementen in de array kankercellen hebben gevangen. Die individuele arrays kunnen dan worden verwijderd en naar een laboratorium worden gebracht, waar de gevangen cellen kunnen worden gekleurd en geïdentificeerd onder een microscoop. In het labortorium, het proces voor het genereren van bindingen en elektrische handtekeningen duurde slechts een paar minuten, wat de mogelijkheid suggereert om dezelfde dag resultaten te krijgen van een bloedtest met behulp van de chip, zegt Panchapakesan.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nanotechnologie , Panchapakesan's team, waaronder afgestudeerde studenten Farhad Khosravi, hoofdauteur van de krant, en onderzoekers aan de Universiteit van Louisville en Thomas Jefferson University, een studie beschrijven waarin antilichamen specifiek zijn voor twee markers van uitgezaaide borstkanker, EpCam en Her2, werden bevestigd aan de koolstofnanobuisjes in de chip. Toen een bloedmonster dat was "verrijkt" met cellen die deze markers tot expressie brachten, op de chip werd geplaatst, het apparaat bleek alleen de gemarkeerde cellen betrouwbaar vast te leggen.

Naast het opvangen van tumorcellen, Panchapakesan zegt dat de chip zich ook vastklampt aan kleine structuren die exosomen worden genoemd. die worden geproduceerd door kankercellen en dezelfde markers dragen. "Deze zeer ongrijpbare structuren van 3 nanometer zijn te klein om te worden vastgelegd met andere soorten vloeibare biopsie-apparaten, zoals microfluïdica, door afschuifkrachten die ze mogelijk kunnen vernietigen, " merkte hij op. "Onze chip is momenteel het enige apparaat dat mogelijk circulerende tumorcellen en exosomen direct op de chip kan vangen, wat het vermogen om metastase te detecteren zou moeten vergroten. Dit kan belangrijk zijn omdat opkomend bewijs suggereert dat kleine eiwitten die worden uitgescheiden met exosomen reacties kunnen veroorzaken die een belangrijke belemmering kunnen vormen voor de effectieve toediening en behandeling van kankermedicijnen."

Panchapakesan zei dat de door zijn team ontwikkelde chip extra voordelen heeft ten opzichte van andere vloeibare biopsie-apparaten, waarvan de meeste microfluidica gebruiken om kankercellen te vangen. Naast het feit dat ze circulerende tumorcellen veel efficiënter kunnen vangen dan microfluïdische chips (waarin cellen zich moeten vastklampen aan verankerde antilichamen als ze passeren in een stroom bewegende vloeistof), het WPI-apparaat is ook zeer effectief in het scheiden van kankercellen van de andere cellen en materiaal in het bloed door middel van differentiële bezinking.

"Witte bloedcellen, vooral, zijn een probleem, omdat ze vrij talrijk zijn in het bloed en ze kunnen worden aangezien voor kankercellen, " zei hij. "Ons apparaat gebruikt wat een passieve strategie voor leukocytdepletie wordt genoemd. Door dichtheidsverschillen, de kankercellen hebben de neiging om naar de bodem van de putjes te zakken (en dit gebeurt alleen in een smal venster), waar ze de antilichamen tegenkomen. De rest van de bloedinhoud blijft boven in de putjes en kan eenvoudig worden weggespoeld."

Terwijl de eerste tests met de chip gericht waren op borstkanker, Panchapakesan zegt dat het apparaat kan worden ingesteld om een ​​breed scala aan tumortypes te detecteren, en er zijn al plannen in de maak voor de ontwikkeling van een geavanceerd apparaat en het testen op andere kankertypes, waaronder long- en alvleesklierkanker. Hij zegt dat hij zich een dag voorstelt waarop een apparaat als het zijne niet alleen kan worden gebruikt voor regelmatige follow-ups van patiënten die kanker hebben gehad, maar bij routinematige kankerscreening.

"Stel je voor dat je naar de dokter gaat voor je jaarlijkse lichamelijke, " zei hij. "Je hebt bloed afgenomen en dat ene bloedmonster kan worden getest op een uitgebreide reeks kankercelmarkers. Kankers zouden in hun vroegste stadium en andere ontwikkelingsstadia worden opgemerkt, en artsen zouden de benodigde eiwit- of genetische informatie van deze gevangen cellen hebben om uw behandeling aan te passen op basis van de specifieke markers voor uw kanker. Dit zou echt een manier zijn om je gezondheid in eigen handen te nemen."