Микрочип для жидкой биопсии обнаруживает метастатическиe раковые клетки в крови

Инженеры-механики из Вустерского политехнического института (WPI) разработали чип, способный улавливать и идентифицировать метастатические раковые клетки в небольшом объёме крови пациента. Эта прорывная технология использует простой механический метод, который оказался эффективнее микрофлюидного подхода, применяемого во многих существующих устройствах.

Устройство WPI использует антитела, прикреплённые к массиву углеродных нанотрубок на дне микроскопической лунки. Раковые клетки оседают на дно лунки, где избирательно связываются с антителами на основе своих поверхностных маркеров (в отличие от других устройств, чип также может захватывать крошечные структуры — экзосомы, вырабатываемые раковыми клетками). Эта «жидкая биопсия», описанная в журнале Nanotechnology, может лечь в основу простого лабораторного теста для быстрого обнаружения ранних признаков метастазирования и помочь врачам подобрать терапию, направленную на конкретные выявленные раковые клетки.

Метастазирование — это процесс распространения рака из одного органа в другие части тела, обычно через кровоток. Разные типы опухолей предпочитают определённые органы и ткани; например, циркулирующие клетки рака молочной железы с большой вероятностью оседают в костях, лёгких и мозге. Прогноз при метастатическом раке (также называемом раком IV стадии), как правило, неблагоприятен, поэтому методика, способная обнаружить эти циркулирующие опухолевые клетки до того, как они сформируют новые колонии опухолей в отдалённых местах, может значительно повысить шансы пациента на выживание.

Устройство, разработанное командой под руководством Баладжи Панчапакесана, включает массив крошечных элементов размером около 3 миллиметров каждый. На дне лунки каждого элемента находятся антитела, прикреплённые к углеродным нанотрубкам. Каждая лунка содержит специфическое антитело, которое будет избирательно связываться с одним типом раковых клеток на основе генетических маркеров на их поверхности. Используя набор различных антител, устройство можно настроить для захвата нескольких типов раковых клеток из одного образца крови. В лабораторных условиях исследователям удалось заполнить 170 лунок, используя менее 0,85 миллилитра крови. Даже с таким небольшим образцом они захватили от одной до тысячи клеток на устройство с эффективностью захвата от 62 до 100%.

Углеродные нанотрубки в устройстве действуют как полупроводники. Когда раковая клетка связывается с одним из присоединённых антител, возникает электрический сигнал, который можно зафиксировать. Эти сигналы используются для идентификации элементов массива, захвативших раковые клетки. Затем эти отдельные массивы можно извлечь и отправить в лабораторию, где захваченные клетки окрашивают и идентифицируют под микроскопом. В лаборатории процесс связывания и генерации электрического сигнала занял всего несколько минут, что указывает на возможность получения результатов анализа крови с помощью чипа в тот же день.

В исследовании, описанном в журнале Nanotechnology, антитела, специфичные к двум маркерам метастатического рака молочной железы (EpCam и Her2), были прикреплены к углеродным нанотрубкам чипа. Когда на чип помещали образец крови, «обогащённый» клетками, экспрессирующими эти маркеры, устройство надёжно захватывало только помеченные клетки.

Помимо захвата опухолевых клеток, чип также связывается с экзосомами — крошечными структурами размером 3 нанометра, которые вырабатываются раковыми клетками и несут те же маркеры. Эти структуры слишком малы, чтобы быть захваченными другими типами устройств для жидкой биопсии (например, микрофлюидными), из-за сдвиговых усилий, которые могут их разрушить. Чип WPI в настоящее время является единственным устройством, способным захватывать циркулирующие опухолевые клетки и экзосомы непосредственно на чипе, что повышает его способность обнаруживать метастазы.

Чип имеет дополнительные преимущества перед другими устройствами для жидкой биопсии:

• Более высокая эффективность захвата, чем у микрофлюидных чипов (где клетки должны прикрепиться к антителам, проплывая мимо в потоке жидкости).
• Высокая эффективность в отделении раковых клеток от других клеток и компонентов крови за счёт дифференциального осаждения (стратегия пассивного удаления лейкоцитов).
• Благодаря разнице в плотности, раковые клетки оседают на дно лунок, где встречаются с антителами, а остальные компоненты крови остаются в верхней части лунок и легко смываются.

Хотя первоначальные испытания чипа были сосредоточены на раке молочной железы, устройство можно настроить для обнаружения широкого спектра типов опухолей. Уже ведутся работы по разработке усовершенствованного устройства и тестированию для других типов рака, включая рак лёгких и поджелудочной железы.

В перспективе такое устройство может использоваться не только для регулярного наблюдения за пациентами, перенёсшими рак, но и для рутинного скрининга на рак. Один образец крови можно будет проверить на комплексный набор маркеров раковых клеток, что позволит выявлять рак на самых ранних стадиях и получать белковую или генетическую информацию для персонализированного лечения.