По словам команды инженеров, использование акустического разделения и недорогого одноразового чипа может значительно облегчить отделение циркулирующих раковых клеток от клеток крови с диагностической, прогностической и лечебной целью.

акустический пинцетЭто фотография «акустического пинцета», который примерно в два раза больше размера пенни. Два преобразователя акустических волн перемещают клетки из потока для сепарации.

«Поиски циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) в пробе крови похоже на поиск иголки в стоге сена, — считает Тони Джун Хуан, профессор механики и инженерных наук. – Как правило, количество ЦОК составляет около одной клетки на каждый миллиард клеток крови».

Существующие методы сепарации используют антитела, специфические против опухолевых клеток, которые связываются с ними и изолируют их. Но эти методы требуют, чтобы было заранее известно, какие антитела нужны. Другие методы основаны на размерах, деформации или электрических свойствах. В отличие от обычных методов, которые заключаются в центрифугировании при 3000 оборотов в минуту на протяжении 10 минут, поверхностные акустические волны могут отделить клетки более мягким способом, используя простые и недорогие устройства.

Сепарация, основанная на использовании акустических волн, потенциально важна, потому что это неинвазивный метод, который не изменяет и не повреждает клетки. Тем не менее, для эффективного клинического использования, этот метод должен быть быстро и легко осуществим.

ctc-separator

« С целью улучшения производительности для захвата этих редких ЦОК, строение прибора должно быть оптимизировано для более высокого потока и более длительной акустической работы, — говорит Мин Дао, старший научный сотрудник Массачусетского Технологического Института. – Благодаря интеграционному экспериментально-модельному подходу, в новом поколении этих приборов улучшена сортировка клеток более чем в 20 раз, в сравнении с предыдущими возможностями. Это позволяет нам работать с образцами крови пациентов».

Исследователи работают как экспериментально, так и с моделями для оптимизации отделения ЦОК от крови. Они используют микрожидкостный прибор, робота которого основана на акустических волнах, таким образом, что поток крови может непрерывно проходить через устройство для разделения. Используя различия в размере и весе в разных клетках, ученые выбрали необходимое акустическое давление, которое может вытолкнуть ЦОК из потока жидкости в отдельный канал для их сбора. Исследователи сообщили о своих результатах в апреле 2015 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Акустические волны, направленные на поверхность под наклоном, могут отделить клетки, используя очень незначительное количество энергии. Мощность и частота волн, использованных в этом эксперименте, была такой же, как используется в ультразвуковом исследовании, которое доказало свою безопасность даже для плода. Кроме того, каждая клетка испытывает воздействие акустической волны только в течение доли секунды. А также, клетки не нуждаются в маркировке или изменении их поверхности. Все эти преимущества делают метод акустической сепарации, названный «акустическим пинцетом», чрезвычайно биосовместимым и позволяют максимально сохранить способности и природное состояние циркулирующих опухолевых клеток.

Если два источника звука находятся друг напротив друга, и каждый излучает звуковые волны такой одинаковой длины, возникает место, где противоположные волны компенсируют друг друга. Из-за того, что акустические волны оказывают давление, они могут толкать очень маленькие объекты, так что клетки или наночастицы движутся с звуковой волной, пока не достигнут места, где нет больше этого давления; в этом случае – внутрь потока жидкости, который перемещает только отделенные клетки.

Для оптимизации акустической сепарации исследователи использовали два типа раковых клеток человека – HELA-клетки и MCF7-клетки. Эти клетки одинаковы по размеру. Затем ученые провели эксперимент по их отделению и получили степень очистки больше 83%. Тогда исследователи провели разделение других раковых клеток, для которых прибор не был оптимизирован, и снова получили степень очистки более 83%.

«Поскольку эти приборы предназначены для работы с человеческой кровью, они должны быть одноразовыми, — говорит Хуан. – Сейчас мы выясняем возможности их массового производства».

Врачи могут использовать этот метод для контроля, как пациенты реагируют на химиотерапию, для установления диагноза, определения лечебной тактики и прогноза.

«Эта работа, с привлечением междисциплинарной группы врачей, инженеров, биологов, экспертов по приборам, привела к созданию устройств для идентификации и сепарации ЦОК с сохранением целостности клетки, — говорит Субра Суреш, руководитель Университета Карнеги-Меллона, участник исследовательской группы. – Это обещает новые возможности для фундаментальных исследований в сфере патологии и метастазирования, а также для клинической диагностики редких опухолевых клеток».