可穿戴设备从血液中捕获癌细胞

可穿戴设备从血液中捕获癌细胞

通过捕获比抽血筛查更多的癌细胞,这种设备可以帮助医生了解肿瘤的生物学特性,并决定治疗方法。

在动物模型中测试的原型可穿戴设备可以直接从患者的血液中连续采集活的癌细胞。

它由密歇根大学的工程师和医生组成的团队开发,可以帮助医生更有效地诊断和治疗癌症。

“没人想做活检。如果我们能从血液中获得足够的癌细胞,我们就可以利用它们来学习肿瘤生物学,并直接照顾病人。这就是为什么我们要这样做的原因,”密歇根大学罗杰癌症中心乳腺癌研究的Stuart B.Padnos教授和《自然通讯》论文的高级作者丹尼尔F.海斯医学博士说。

肿瘤可以在一分钟内将1000多个癌细胞释放到血液中。目前从血液中捕获癌细胞的方法依赖于患者的样本,通常一次提取不超过一汤匙。即使在晚期癌症患者身上,也有一些血液是在没有癌细胞的情况下回流的,而且一个典型的样本中的癌细胞不超过10个。

在医院里的几个小时内,这种新装置可以直接从静脉中捕获癌细胞,从而筛选出更多的病人血液。在动物实验中,与传统的抽血样本相比,可穿戴设备中的细胞抓取芯片每毫升血液中捕获的癌细胞是传统抽血样本的3.5倍。

“这是有一个安全摄像头每五分钟拍摄一次门的快照或拍摄一段视频的区别。如果一个入侵者进入快照之间,你就不会知道这一点,”U-M化学工程副教授Sunitha Nagrath博士说,他领导了该设备的开发。纳格拉斯是罗杰癌症中心和密歇根大学生物接口研究所的成员。

研究表明,大多数癌细胞无法在血液中存活,但那些确实存在的癌细胞更有可能引发新的肿瘤。通常情况下,是这些卫星肿瘤,称为转移,是致命的,而不是原来的肿瘤。这意味着从血液中获取的癌细胞可以比常规活检提供更好的信息来计划治疗。

该小组在科罗拉多州立大学弗林特动物癌症中心与兽医肿瘤学教授、临床研究主任道格拉斯·塔姆(DouglasThamm)合作,对狗进行了该装置的测试。他们给健康的成年动物注射了人体癌细胞,这些细胞在数小时内被狗的免疫系统消除,没有持久的效果。

在注射后的前两个小时,这些狗被给予一种温和的镇静剂,并与该装置相连,该装置可筛选出它们血液的1-2%。同时,每20分钟抽取一次血液,用同样设计的芯片采集样本中的癌细胞。

该设备将一台烤箱大小的机器缩小到可以戴在手腕上并连接到手臂静脉的尺寸。为了获得设计方面的帮助,工程团队求助于医学博士Laura Cooling,她是U-M的临床病理学教授和血库的副主任,负责管理全尺寸系统。

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设备内部的绿色电路板控制着血泵、肝素注入器和显示数据。插图:金泰贤

Tae Hyun Kim博士说:“最具挑战性的部分是将所有组件集成到一个设备中,然后确保血液不会凝结,细胞不会堵塞芯片,整个设备完全无菌。”他在Nagrath实验室获得了电气工程博士学位,现在是一名博士后。加州理工学院的八口学者。

他们开发了将血液与肝素(一种防止凝血的药物)混合的方案,以及在不损害芯片上的细胞靶向免疫标记物或抗体的情况下杀死细菌的灭菌方法。Kim还将一些最小的医用级泵包装在一个3D打印盒中,盒内装有电子设备和癌细胞捕获芯片。

该芯片本身是Nagrath实验室最快捕获率设备之一上的一个新变化。它使用纳米材料氧化石墨烯创建了密集的抗体端分子链森林,使其能够将80%以上的癌细胞困在流过它的全血中。该芯片还可用于生长捕获的癌细胞,产生更大的样本进行进一步分析。

在该设备的下一步中,研究小组希望提高血液处理率。然后,在Thamm的领导下,他们将使用优化的系统从宠物狗身上捕获癌细胞,这些宠物狗作为病人来到癌症中心。犬乳腺癌细胞表面的靶向蛋白芯片目前正在纳格拉斯实验室开发中。

海耶斯估计,该装置可以在三到五年内开始人体试验。它将被用来帮助优化人类癌症的治疗,使医生能够看到癌细胞是否在制造分子,作为许多新的癌症药物的目标。

海耶斯说:“这是精确医学的缩影,它现在在肿瘤学领域是如此令人兴奋。”

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