От микрофлюидики до метастазирования

От микрофлюидики к метастазированию
                Новая платформа исследователей MIT обнаруживает и извлекает редкие циркулирующие опухолевые клетки из моделей живых мышей, используя комбинацию лазерного возбуждения и микрофлюидного чипа. Предоставлено: Башар Хамза и Алекс Шалек.

Циркулирующие опухолевые клетки (CTCs) — промежуточная форма раковой клетки между первичной и метастатической опухолевой клеткой — несут сокровищницу информации, которая имеет решающее значение для лечения рака. Многочисленные технические достижения за эти годы позволили извлечь клетки с помощью жидкостной биопсии и проанализировать их, чтобы контролировать реакцию отдельного пациента на лечение и прогнозировать рецидив.
                                                                                       

Благодаря значительному прогрессу в создании генно-инженерных моделей мышей жидкие биопсии также дают большие перспективы для лаборатории. Эти мышиные модели имитируют многие аспекты развития опухолей человека и позволяют проводить информативные исследования, которые нельзя проводить у пациентов. Например, эти модели можно использовать для отслеживания эволюции клеток от первоначальной мутации до возможного метастазирования, процесса, в котором CTCs играют критическую роль. Но так как со временем было невозможно контролировать CTCs у мышей, способность ученых изучать важные признаки метастазирования была ограничена.

Задача состоит в том, чтобы собрать достаточно клеток для проведения таких продольных исследований. Хотя первичные опухоли постоянно выделяют CTC, плотность CTC в крови очень низкая — менее 100 CTC на миллилитр. Для пациентов-людей, подвергающихся жидкой биопсии, это не представляет проблемы. Клиницисты могут забрать достаточное количество крови, чтобы гарантировать достаточный объем CTC, всего несколько миллилитров из пяти или около того литров в среднем, с минимальным воздействием на пациента.

Мышь, с другой стороны, имеет всего около 1,5 миллилитров крови. Если исследователи хотят изучать CTC с течением времени, они могут безопасно отбирать у мыши не более нескольких микролитров крови в день — недостаточно близко, чтобы обеспечить сбор многих (или любых) CTC.

Но благодаря новому подходу, разработанному исследователями из Института интегративных исследований рака им. Коха, теперь можно собирать СТС у мышей в течение нескольких дней и даже недель и анализировать их по мере прогрессирования заболевания. Система, описанная в Слушаниях Национальной академии наук на неделе 21 января, отводит кровь к микрожидкостному чипу для сортировки клеток, который извлекает отдельные СТС, прежде чем вернуть кровь обратно проснувшейся мыши.

Сортировочное меню

Вдохновение для проекта было подготовлено не в лаборатории, а во время случайной встречи в кафе Кох между Тайлером Джексом, директором Института Коха и профессором биологии Дэвида Х. Коха, и Скоттом Маналисом, Андрей и Эрна Витерби Профессор кафедры биологической инженерии и машиностроения и сотрудник института Коха.

Как повезло, и в обеденный перерыв пара обсуждала дипломную работу, выполняемую тогдашним аспирантом Шоном Дэвидсоном, который использовал систему, подобную диализу, для отслеживания метаболитов в крови мышей в лаборатории Мэтью Вандера. Хайден, доцент кафедры биологии. Джек и Маналис были вдохновлены: можно ли использовать подобный подход для изучения редких КТК в режиме реального времени?

Наряду со своим коллегой из Института Коха Алексом Шалеком, ассистентом профессора химии Pfizer-Laubach по развитию карьеры и одним из основных членов Института медицинской инженерии и науки (IMES) в Массачусетском технологическом институте, Джексу и Маналису понадобится больше, чем пять лет, чтобы собрать воедино все элементы системы, опираясь на различные области знаний, связанные с институтом Коха. Лаборатория Jacks предоставила свою флуоресцентную модель мелкоклеточного рака легкого, лаборатория Manalis разработала платформу для выделения CTC в режиме реального времени, а лаборатория Shalek предоставила геномные профили собранных CTC с использованием одноклеточного РНК-секвенирования.

«Это проект, который не мог бы быть успешным без постоянных усилий нескольких лабораторий с очень разным набором знаний. Для моей лаборатории, которая в основном состоит из инженеров, возможность участвовать в исследованиях такого типа была невероятно захватывающей. и это причина, по которой мы находимся в институте Коха, — говорит Маналис.

Сортировщик CTC использует лазерное возбуждение для идентификации опухолевых клеток, экспрессирующих флуоресцентный маркер, который включен в модель мыши. Система забирает кровь у мыши и пропускает ее через микрофлюидный чип, чтобы обнаружить и извлечь флуоресцирующие КТК, прежде чем вернуть кровь мыши. Небольшое количество крови — около 100 нанолитров — отводится с каждым обнаруженным CTC в пробирку для сбора, которая затем очищается для извлечения отдельных CTC из тысяч других клеток крови.

«Обнаружение CTC в режиме реального времени происходит при скорости потока около 2 миллилитров в час, что позволяет нам сканировать почти весь объем крови бодрствующей и движущейся мыши в течение часа», — говорит Башар Хамза, аспирант в лаборатории Маналиса и одного из ведущих авторов статьи.

Биология в крови

С разработкой сортировщика ячеек в режиме реального времени исследователи впервые смогли продольно собирать CTC из одной и той же мыши.

Ранее, низкий объем крови у мышей и редкость CTCs означали, что группы мышей должны были быть принесены в жертву в последовательные моменты времени, чтобы их CTC могли быть объединены. Однако CTC от разных мышей часто имеют существенно разные профили экспрессии генов, которые могут скрывать незначительные изменения, возникающие в результате развития опухоли или возмущения, такого как лекарство.

Чтобы продемонстрировать, что их сортировщик клеток может улавливать эти различия, исследователи лечили мышей соединением под названием JQ1, которое, как известно, ингибирует пролиферацию раковых клеток и нарушает экспрессию генов. CTC собирали и профилировали с секвенированием одноклеточной РНК за два часа до обработки, а затем каждые 24 часа после первоначальной обработки в течение четырех дней.

Когда исследователи объединили данные для всех мышей, которых лечили JQ1, они обнаружили, что данные сгруппированы по отдельным мышам, что не дает подтверждения, что препарат влияет на экспрессию гена CTC с течением времени. Однако, когда исследователи проанализировали данные одной мыши, они наблюдали сдвиг генной экспрессии со временем.

«Что такого захватывающего в этой платформе и нашем подходе, так это то, что у нас наконец-то появилась возможность всесторонне изучить продольные CTC-ответы, не беспокоясь о потенциально смешанных эффектах изменчивости от мыши к мыши. Я, например, не могу ждать чтобы увидеть, что мы сможем узнать, когда будем описывать больше CTC и их первичные и метастатические опухоли «, — говорит Шалек.

Исследователи полагают, что их подход, который они намереваются использовать при дополнительных типах рака, включая немелкоклеточный рак легкого, рак поджелудочной железы и рак молочной железы, может открыть новые возможности для исследования при изучении СТС, например, при изучении долгосрочных лекарственных реакций характеризуя их связь с метастатическими опухолями и измеряя скорость их продукции в короткие сроки — и весь метастатический каскад. В будущей работе исследователи также планируют использовать свой подход для профилирования редких иммунных клеток и мониторинга клеток в динамических условиях, таких как заживление ран и образование опухолей.

«Способность изучать CTC, а также другие редкие клетки крови в продольном направлении дает нам мощный взгляд на развитие рака. Этот сортировщик представляет собой настоящий прорыв в этой области и является отличным примером института Коха в действии». говорит Jacks./p>

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *