Носимые устройства с чипом могут стать альтернативой биопсии

Носимое устройство, прототип которого протестирован на животных моделях, может непрерывно собирать живые раковые клетки непосредственно из крови пациента.

Устройство разработано группой инженеров и врачей Мичиганского университета (University of Michigan) и может помочь врачам эффективнее диагностировать и лечить рак.

«Никто не хочет делать биопсию. Если бы мы могли получить достаточное количество раковых клеток из крови, можно было бы их использовать для изучения биологии опухоли и непосредственно лечения пациентов. Наш эксперимент нацелен как раз на это», — говорит Дэниел Ф. Хейз (Daniel F. Hayes), профессор Мичиганского университета.

Опухоли могут испускать более 1000 раковых клеток в кровь за минуту. Современные методы извлечения раковых клеток из крови основаны на взятии у пациента образцов. Но они ограничены объёмом, который можно взять за один приём — около столовой ложки. Некоторые анализы не показывают наличия раковых клеток даже у пациентов с прогрессирующим раком, типичный образец крови содержит не более 10 раковых клеток.

В течение нескольких часов пребывания в больнице новое устройство может непрерывно улавливать раковые клетки непосредственно из венозной крови, сканируя большие объёмы крови пациента. При тестировании на животных чип из носимого устройства, захватывающий клетки, задерживал в 3,5 раза больше раковых клеток на миллилитр крови, чем было найдено в пробах, собранных при взятии крови.

«Это можно сравнить с камерой наблюдения, которая делает фото двери каждые пять минут или снимает видео. Если злоумышленник пройдёт в промежутке между снимками, вы не узнаете об этом», — говорит Сунита Награт (Sunitha Nagrath), руководившая разработкой устройства.

Исследования показывают, что большинство раковых клеток не выживают в кровотоке, но те, которые остаются, с большей вероятностью способствуют образованию новой опухоли. Обычно опухоли-спутники, метастазы, и являются смертельными, в отличие от исходной опухоли. Это означает, что раковые клетки, выловленные из крови, могут дать более точную информацию для планирования лечения, чем обычная биопсия.

Исследователи протестировали устройство на собаках. Здоровым животным вводились раковые клетки человека, уничтожаемые иммунной системой собак в течение нескольких часов, не оказывая длительного воздействия на организм. В течение первых двух часов после инъекции собакам дали лёгкое успокаивающее средство и подключили к устройству, проверяющему от 1 до 2 процентов их крови. Одновременно у собак брали кровь каждые 20 минут, и в этих образцах раковые клетки собирались с помощью чипов такой же конструкции, что и в устройстве.

Носимое устройство делает ненужной обычную установку размером с печь, его можно носить на запястье, присоединённым к венам на руке. Устройство помогла спроектировать Лора Кулинг (Laura Cooling), профессор клинической патологии в Мичиганском университете, где она работает с полноразмерными системами забора крови.

«Самая сложная задача — интеграция всех частей в одно устройство и обеспечение того, чтобы кровь не свёртывалась, клетки не засоряли чип, и чтобы устройство было полностью стерильным», — говорит Те Хён Ким (Tae Hyun Kim) из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology).

Были разработаны специальные протоколы для смешивания крови с гепарином, препаратом, предотвращающим свёртывание крови, а также методы стерилизации, убивающие бактерии, не повреждая находящиеся в чипе иммунные маркеры клеток. Учёные также заложили мельчайшие медицинские насосы в напечатанную на 3D-принтере коробку с электроникой и чипом, улавливающим раковые клетки.

Сам чип является новой разработкой специально для одного из самых скоростных устройств лаборатории. В нём использован наноматериал оксид графена для создания заграждения из молекулярных цепей с антителами, он позволяет улавливать более 80% раковых клеток в цельной крови, проходящей через него. Чип также может использоваться для выращивания пойманных раковых клеток, что позволить получить более крупные образцы для дальнейшего анализа.

На следующих этапах разработки прибора исследователи надеются увеличить скорость обработки крови. Впоследствии, они будут использовать оптимизированную систему для улавливания раковых клеток у домашних собак, которые прибывают в онкологический центр в качестве пациентов. Чипы нацелены на распознавание рака молочной железы у собак.

Хейз считает, что испытания прибора на людях могут начаться через 3—5 лет. Он будет использоваться для оптимизации лечения рака у людей, позволив врачам наблюдать, производят ли раковые клетки молекулы, на которые направлено действие множества новых лекарств против рака.