Биопсия крови: Освобождение раковых клеток для лучшего анализа

Новое устройство, разработанное в Мичиганском университете, может предоставить неинвазивный способ отслеживать прогресс лечения запущенного рака.

Оно может извлекать раковые клетки из образца крови и затем высвобождать их, позволяя проводить дальнейшие тесты, которые покажут, успешно ли терапия избавляет пациента от наиболее опасных раковых клеток.

Клетки, которые опухоли выбрасывают в кровоток, можно использовать для мониторинга лечения рака, но их очень трудно захватить — они составляют примерно одну на миллиард клеток, говорит Сунита Награт, доцент кафедры химической инженерии.

Награт и её коллеги были пионерами в технологиях захвата этих клеток из образцов крови. Их устройства улавливали клетки на чипах, сделанных из оксида графена — одноатомного слоя атомов углерода и кислорода. Но весь анализ приходилось проводить на чипе, потому что клетки были прочно закреплены.

«Мы могли выращивать клетки на чипе или анализировать их все вместе, но исследования показали, что раковые клетки неодинаковы, — сказала она. — Следовательно, важно изучать клетки по отдельности, и наше новое устройство делает это возможным».

Согласно стволовой теории рака, рецидивы происходят потому, что химиотерапия и лучевая терапия не очень эффективны в уничтожении раковых стволовых клеток, которые могут составлять до 10% опухоли. В результате оставшиеся раковые стволовые клетки способны заново вырастить опухоль или распространиться в другие области тела.

Новые методы лечения, проходящие клинические испытания, атакуют стволовые клетки, но уничтожение этой меньшей популяции не приводит к немедленному уменьшению опухоли. Врачам нужен хороший способ контролировать, сокращается ли количество раковых стволовых клеток. Это может быть возможно с помощью анализов крови, но клиницистам необходимо изучать захваченные клетки по отдельности, а это означает их удаление с чипа.

«Как мы можем высвободить клетку, не повредив её — в этом и заключается главная задача», — сказал Джинсанг Ким, профессор материаловедения и инженерии, который совместно с Награт руководил проектом.

Ким работает над принципами проектирования цепочечных молекул с определёнными свойствами, и его команда нашла решение. Его группа разработала полимер, который твёрдый при комнатной температуре, но распадается при температуре, которую можно установить в диапазоне примерно от 4 до 20 °C.

Полимер растворяется в воде при взаимодействии с молекулами воды. При более высоких температурах тепло разрушает эти взаимодействия, поэтому полимер не растворяется. Апурв Шанкер, аспирант в области макромолекулярной науки и инженерии, настроил полимер на растворение при температурах ниже 12,8 °C. Команда смешала крошечные хлопья оксида графена, улавливающие клетки, с полимером и встроила чип в устройство для пропускания образца крови над ним.

«Это очень щадяще для клеток», — сказала Награт, противопоставляя лёгкое понижение температуры другим конструкциям, которые полагаются на нагрев или химические реакции, индуцированные ферментами, для высвобождения клеток.

Устройство может захватывать и высвобождать живыми до 80% раковых клеток в исходном образце крови. Затем клиницисты могут собрать клетки в образец, похожий на ткань, для обычного анализа, который может показать долю захваченных раковых клеток, являющихся стволовыми. Альтернативно, они могут идентифицировать отдельные клетки для более детального изучения, например, полного генетического секвенирования или тестов, определяющих, какие препараты будут наиболее эффективны.

«Поскольку устройство простое и недорогое в изготовлении, возможны масштабные клинические исследования», — сказал Ким.

Исследование проводилось в сотрудничестве с группой Макса Вича, профессора онкологии, и группой Дианы Симеоне, профессора хирургии, молекулярной и интегративной физиологии.

Оно описано в статье «Tunable Thermal-Sensitive Polymer-Graphene Oxide Composite for Efficient Capture and Release of Viable Circulating Tumor Cells», которая недавно появилась в журнале Advanced Materials.