Американские ученые создали новую технологию диагностики рака

Исследователи из Вустерского политехнического института (WPI) разработали микросхему из углеродных нанотрубок, которая может захватывать циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) всех размеров и типов и может делать это с гораздо большей чувствительностью, чем существующие технологии. Уникальная конструкция устройства позволяет легко идентифицировать и даже культивировать захваченные клетки, что позволяет обнаруживать опухоли на ранних стадиях, прогнозировать течение рака и отслеживать результаты терапии.

Подробно о новой технологии сообщается в журнале Lab on the Chip. Новая технология была разработана совместно группой ученых Кафедры неврологической хирургии в Медицинской школе Университета Массачусетса и онкологического центра им. Джеймса Грэма Брауна при Медицинской школе Университета Луисвилла. Профессор Баладжи Панчапакесан является руководителем проекта.

Важность новой технологии диагностики рака

Высокие показатели смертности от рака в основном связаны с тем, что опухоли развиваются незамеченными до тех пор, пока они не достигнут прогрессирующих или неоперабельных стадий, а также с метастазированием (когда опухолевые клетки проходят через кровоток и провоцируют рост новых опухолей в других органах). Ученые долго искали метод, который сможет надежно задерживать опухолевые клетки, когда они проходят через кровоток. Такая технология может позволить выявлять раковые заболевания на очень ранних стадиях, когда лечение за рубежом с большей вероятностью будет успешным, и выявлять генетические изменения, которые претерпевают опухолевые клетки, когда рак начинает метастазировать.

Выделение циркулирующих раковых клеток с высокой чистотой является серьезной проблемой, сродни поиску иголки в стоге сена. Эти клетки содержат от 1 до 10 клеток из миллиарда клеток крови, и выделение (ЦОК) из опухолей является очень прерывистым процессом.

Ряд исследовательских лабораторий и компаний создали так называемые устройства для жидкой биопсии, но имеющиеся в настоящее время устройства имеют важные ограничения, отмечает профессор Панчапакесан.

К ним относятся:

•  низкая чувствительность;
• невозможность перехватывать ЦОК всех размеров и типов или захватывать кластеры ЦОК вместе с отдельными ячейками;
• сложность извлечения захваченных клеток из устройств для лабораторного анализа;
• высокие производственные затраты.

Кроме того, загрязнение захваченных ЦОК белыми кровяными клетками, размеры которых аналогичны и могут быть ошибочно приняты за ЦОК, является проблемой для многих устройств с жидкой биопсией.

Преимущества нового устройства для диагностики рака

Устройство, разработанное командой Панчапакесана, описанное в лаборатории на чиповой бумаге, не имеет ни одного из этих

ограничений. Центральным элементом устройства является слой углеродных нанотрубок, который выстилает дно маленькой лунки, образованной в кремниево-стеклянной пластине. Панчапакесан говорит, что дизайн чипа использует естественную тенденцию прикрепления ЦОК.

Кроме того, недавние исследования показали, что ЦОК гораздо более хрупки, чем считалось ранее, и подвержены воздействию окружающей среды и механическим воздействиям, присущими кровотоку.

Тот факт, что лейкоциты не прилипают к нанотрубкам, позволяет удалять их из чипа, оставляя ЦОК для подсчета и идентификации. Эритроциты, которые значительно превосходят циркулирующие опухолевые клетки, также представляют проблему. Так как они имеют тенденцию оседать на дне чипа, они могут препятствовать прилипанию ЦОК к нанотрубкам. Исследовательская группа решила эту проблему, разбивая эритроциты перед добавлением образца крови в чип. Они обнаружили, что этот процесс не влияет на ЦОК.

Исследование находит конкретные прямые цели для лечения рака

Испытания чипа с использованием крови с добавлением известного количества раковых клеток, помеченных флуоресцентным красителем, показали, что он обладает высокой чувствительностью: от 89% до 100% клеток в тестируемых образцах отбираются. Чувствительность чипа повышалась по мере того, как дольше кровь оставалась в контакте с нанотрубками. Были также проведены тесты с образцами крови от реальных пациентов с раком молочной железы (стадии 1-4), и была получена 100% чувствительность для выявления ЦОК. Такие клетки были взяты из всех 7 образцов тканей пациентов, в то время как опухолевые клетки не были взяты из образцов от 2 здоровых пациентов.

«Эти первоначальные клинические исследования, - заявил профессор Панчапакесан, - в которых мы смогли собрать и идентифицировать отдельные ЦОК с различными фенотипами, показывают, что это устройство может стать важным инструментом не только для отслеживания прогрессирования рака и его реакции на лучевую или химиотерапию. Это также поможет при прогнозировании вероятного течения рака, который даст врачам определить наиболее эффективный курс терапии».

Как будут использовать новую технологию в будущем?

Чипы изготавливаются с использованием материалов и технологий серийного производства, аналогичных тем, которые используются для изготовления полупроводников. Текущее поколение представляет собой 76-элементный массив испытательных скважин на стеклянной и кремниевой пластине. В дополнение к возможности массового производства, конструкция с несколькими лунками позволяет легко разделить образец крови между несколькими лунками. Небольшой объем крови, помещенный в каждую лунку, позволяет более точно подсчитать приложенные ЦОК.

Профессор Панчапакесан сказал, что, по его мнению, чип жидкой биопсии с углеродными нанотрубками последнего поколения готов к клиническим испытаниям. С этой целью он начал сотрудничество с компанией с StrandSmart Inc., стартапом в Силиконовой долине под руководством генерального директора Адрианны Дэвис. Команда планирует протестировать устройство для оказания медицинской помощи для выявления рака на самых ранних стадиях в мире.

Уже сегодня технологией заинтересовались ведущие онкологические центры во всем мире. Онкологи Израиля, Германии и Швейцарии уже изучают результаты исследований. В ближайшие несколько лет ожидается поступление новой разработки в известные мировые клиники.