3D-принтер находит «иголку в стоге сена» раковых клеток, попутно удаляя сено.

Нахождение горстки раковых клеток, скрывающихся среди миллиардов клеток крови в образце пациента, может быть подобно поиску иголки в стоге сена. В новом подходе, используемым 3D принтером, исследователи удаляют сено, чтобы разоблачить раковые клетки.
Захват белых кровяных телец-которые примерно такого же размера, как раковые клетки – и отфильтровывание более мелких красных кровяных телец оставляет позади клетки опухолей, которые затем могут быть использованы для диагностики заболевания, потенциально обеспечивают раннее предупреждение рецидива и позволяют исследовать процесс метастазирования рака. Работа, возглавляемая исследователями из Технологического института Джорджии, может способствовать достижению цели персонализированного лечения рака, позволяя быстро и недорого отделять опухолевые клетки, циркулирующие в кровотоке.
«Выделение циркулирующих опухолевых клеток из образцов цельной крови было сложной задачей, потому что мы ищем горстку раковых клеток, смешанных с миллиардами нормальных красных и белых кровяных телец”, — сказал А. Фатих Сариоглу, доцент Школы электротехники и вычислительной техники Джорджии (ЕЭК). “С помощью этого устройства мы можем обрабатывать клинически значимый объем крови, захватывая почти все белые кровяные клетки, а затем отфильтровывая красные кровяные клетки по размеру. Это оставляет нам неповрежденные опухолевые клетки, которые могут быть секвенированы для определения конкретного типа рака и уникальных характеристик опухоли каждого пациента.”
Исследование было опубликовано в журнале Lab on a Chip («гибридное отрицательное обогащение циркулирующих опухолевых клеток из цельной крови в монолитном 3D-принторе»).


3D-печатный поиск для клеток крови


3D-печатный клеточный поиск, разработанный в лаборатории технологического института Джорджии доцентом А. Фатихом Сариоглу, захватывает клетки крови для выделения опухолевых клеток из образца крови.
Другие попытки «захватить» циркулирующие опухолевые клетки пытались извлечь их из крови с помощью микрофлюидной технологии, которая распознает специфические поверхностные маркеры на раковых клетках. Но поскольку рак может изменяться с течением времени, злокачественные клетки не всегда могут быть распознаны. И даже если они могут быть захвачены, опухолевые клетки должны быть удалены из обходных каналов в устройстве и отделены от антигена, не вызывая повреждения.
Сариоглу и его коллеги, решили использовать другой подход, построив 3D-печатные ловушки, выровненные с антигенами, чтобы захватить белые кровяные клетки в образце, позволив исследователям значительно расширить площадь поверхности для захвата белых кровяных телец, когда они проходят мимо в образцах крови. Зигзагообразные каналы жидкости, некоторые длиной до полуметра, увеличивают вероятность того, что каждая белая кровяная клетка войдет в контакт со стенкой канала.
«Обычные микрофлюидные устройства имеют только один слой с высотой каналов от 50 до 100 мкм», — сказал Сариоглу. — Они толстые, но в основном из пустого пластика. Использование 3D-печати освобождает нас от одного канала и позволяет создавать множество каналов в трех измерениях, которые лучше используют пространство.”
В то время как 3D-печать позволила увеличить плотность канала, это было связано со значительной проблемой. Более ранние микрофлюидные устройства могли быть разработаны с вытравленными каналами для переноса крови. Но с процессами 3D-печати, которые изготавливаются послойно, каналы должны были быть заполнены воском, чтобы на них можно было построить больше каналов. Мучительная структура канала, предназначенная для максимального взаимодействия клеточной стенки, сделала практически невозможным получение воска после изготовления.
Решение заключалось в разработке клеточных ловушек, которые помещались в стандартные центрифуги, предназначенные для отжима образцов для разделения. Ловушки нагревались в центрифуге,а затем вращались, чтобы позволить расплавленному воску выйти. После удаления жидкого воска каналы получали антигенное покрытие.
После удаления лейкоцитов более мелкие эритроциты проходят через простой коммерческий фильтр, который захватывает раковые клетки и любые оставшиеся лейкоциты. Опухолевые клетки могут быть удалены из фильтра, который интегрирован в 3D печатное устройство.
Минимальная обработка образцов крови является целью проекта, чтобы сделать процесс доступным для клиник и больниц, не требуя специальных технических навыков. Меньшая обработка также снижает риск повреждения опухолевых клеток и минимизирует другие клеточные изменения, которые могут исказить оценку.
Как часть испытания доказательства принципа, исследователя покрыли белые клетки крови с биотином для ускорения испытания. Будущие клеточные ловушки будут использовать антигены, предназначенные для привлечения клеток к стенкам канала без стадии обработки биотином.
Исследователи протестировали свой подход, добавив раковые клетки в кровь, взятую у здоровых людей. Поскольку они знали, сколько клеток было добавлено, они могли сказать, сколько они должны извлечь, и эксперимент показал, что ловушка может захватить около 90 процентов опухолевых клеток. Позднее при исследовании образцов крови больных раком предстательной железы выделяли опухолевые клетки из 10-миллилитрового образца цельной крови.

Тестирование включало клетки от рака предстательной железы, молочной железы и яичников, но Сариоглу считает, что устройство будет захватывать циркулирующие опухолевые клетки от любого типа рака, потому что механизм удаления нацелен на клетки крови, а не на раковые клетки.
Следующие шаги будут заключаться в сужении каналов в устройстве, тестировании удаления лейкоцитов без использования биотина, повышении процента извлечения лейкоцитов и подключении клеточных ловушек для увеличения емкости захвата.
“Мы ожидаем, что это действительно будет благоприятным инструментом для врачей”, — сказал Сариоглу. “В нашей лаборатории мышление всегда направлено на перевод наших исследований, делая устройство достаточно простым для использования в больницах, клиниках и других учреждениях, которые помогут диагностировать болезнь у пациентов.”