Микрофлюидное устройство поймало скопления раковых клеток

Американские физики построили микрофлюидное устройство, которое целенаправленно отбирает из крови скопления раковых клеток с эффективностью на уровне 70 процентов. По словам ученых, новое устройство позволит разобраться в механизме образования метастазов и поможет разработать лекарство, предотвращающее этот процесс. Статья опубликована в AIP Advances.

Около 90 процентов случаев смерти от рака связывают с развитием метастазов, то есть распространением раковых опухолей на новые органы. В основном образование метастазов связано с небольшими скоплениями раковых клеток, которые отрываются от существующих опухолей и перемещаются в новые органы вместе с кровью. Если бы врачи умели отлавливать и уничтожать такие сгустки, это бы замедлило процесс метастазирования и, возможно, спасло бы много жизней. К сожалению, свойства таких сгустков изучены плохо. Это затрудняет разработку фильтрующих устройств.

Прежде чем исследовать сгустки раковых клеток, их сначала нужно изолировать и выделить из крови. Проблема в том, что сделать это на практике очень сложно: большинство методов извлечения раковых клеток требуют предварительной обработки образца, разрушающей значительную часть нужных клеток. Более того, все такие методы могут работать только с небольшими объемами (порядка одного-двух миллилитров) и слабыми потоками жидкости (менее 20 микролитров в минуту). Поэтому для сбора большого количества раковых клеток требуется ждать довольно много времени. Это не только усложняет исследования раковых клеток, но и влияет на свойства клеток, долго дожидавшихся эксперимента. Создавать фильтрующее устройство для очистки крови на основе таких методов также бессмысленно.

Поэтому группа ученых под руководством Питера Терьете (Peter Teriete) разработала микрофлюидный прибор, который почти на порядок увеличивает скорость выделения сгустков раковых клеток из крови. В основе прибора лежит «елочка», сложенная из 32 прямоугольных каналов шириной 0,2 миллиметра с шагом 0,1 миллиметра. Такие параметры позволяли отбирать из жидкости частицы определенного размера. Если пропустить по такому прибору кровь с примесью сгустков раковых клеток, канавки захватят сгустки и заставят их дрейфовать к краям канала. Потом собравшиеся клетки можно извлечь.

При разработке микрофлюидного устройства, сортирующего скопления раковых клеток, ученые придерживались четырехступенчатой схемы. Во-первых, они численно смоделировали работу устройств с разной формой «елочки» и разной шириной канавок, чтобы подобрать оптимальные параметры прибора. Во-вторых, с помощью фотолитографии физики напечатали форму для будущего устройства, а затем покрыли ее тонким слоем полимера (полидиметилсилоксана). В-третьих, исследователи оптимизировали химический состав и функциональные свойства покрытия канавок, чтобы они не обрастали после пропускания больших объемов крови. Это позволило уменьшить предварительную обработку образцов. Наконец, ученые проверили работу получившегося прибора на клетках рака простаты (линия PC3), рака груди (линия MDA-MB-468) и множественной миеломы (RPMI-8226 B). Концентрация клеток находилась в диапазоне от 50 тысяч до миллиона на миллилитр.

Сначала исследователи проверили, что построенный прибор фильтрует только нужные раковые клетки. Для этого ученые растворили 50 тысяч клеток множественной миеломы и миллион клеток рака простаты в миллилитре буферного раствора (трис(гидроксиметил)аминометана), а затем прогнали половину смеси сквозь прибор со скоростью 0,2 миллилитра в минуту. После этого исследователи полчаса подождали, промыли прибор чистым буферным раствором с такой же скоростью и измерили число осевших раковых клеток. В среднем ученые насчитали около 3,5 тысяч клеток множественной миеломы (всего через прибор прошло около 25 тысяч клеток) и около 500 клеток рака простаты (из 500 тысяч). Таким образом, несмотря на низкую эффективную скорость захвата клеток миеломы, прибор оказался довольно избирательным (14 процентов против 0,1 процента клеток). Кроме того, большая часть захваченных клеток множественной миеломы образовали скопления. Поэтому ученые считают этот результат хорошим.

Затем физики проверили, насколько хорошо прибор захватывает скопления раковых клеток. На этот раз смешали в двух миллилитрах буферного раствора 100 тысяч клеток рака груди и тысячу скоплений рака простаты, а затем прогнали сквозь прибор ⅓ смеси со скоростью около 0,025 миллилитров в минуту. В результате в канавках осело около 230 скоплений (71 процент) и 370 отдельных клеток (один процент). Ученые подчеркивают, что на осаждение такого количества скоплений им потребовалось чуть больше 25 минут. Также исследователи отмечают, что теоретически скорость прокачивания раствора со скоплениями раковых клеток можно повысить в несколько раз. Таким образом, построенный прибор отлично подходит для извлечения скоплений раковых клеток из крови.

Вообще говоря, микрофлюидные приборы, выбирающие из крови раковые клетки, существовали и раньше; один из первых прототипов такого прибора построила еще в 2015 году группа ученых под руководством Тони Хуана (Tony Huang). Тем не менее, авторы новой статьи подчеркивают, что все такие устройства были заточены под отдельные раковые клетки, тогда как новая работа сосредоточилась на сгустках клеток, ответственных за метастазирование.

В последние годы физики активно разрабатывают медицинские микрофлюидные устройства, которые «отсеивают» больные или зараженные клетки. Например, в сентябре 2017 года микрофлюидное устройство выделило из крови экзосомы, в феврале 2019 — малярийный плазмодий, в апреле 2019 — раковые клетки. Кроме того, в начале этого года немецкие ученые «усовершенствовали» микрофлюидный прибор, заставив его разделять мягкие и жесткие клетки — здоровые и больные эритроциты.

Дмитрий Трунин