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Biopsie-Alternative: "Tragbares" Gerät fängt Krebszellen aus dem Blut ein

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Ein Prototyp eines tragbaren Gerätes, das in Tiermodellen getestet wurde, kann kontinuierlich lebende Krebszellen direkt aus dem Blut eines Patienten sammeln.

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Entwickelt von einem Team von Ingenieuren und Ärzten der University of Michigan, könnte es Ärzten helfen, Krebs besser zu diagnostizieren und zu behandeln.

"Niemand will eine Biopsie. Wenn wir genügend Krebszellen aus dem Blut bekommen könnten, könnten wir sie nutzen, um mehr über die Tumorbiologie und die direkte Betreuung der Patienten zu erfahren. Das ist die Aufregung, warum wir das tun", sagt Dr. Daniel F. Hayes, der Stuart B. Padnos Professor für Brustkrebsforschung am University of Michigan Rogel Cancer Center und Senior Author auf dem Papier in Nature Communications.

Tumore können in einer Minute mehr als 1.000 Krebszellen in den Blutkreislauf abgeben. Die derzeitigen Methoden zur Einnahme von Krebszellen aus dem Blut basieren auf Proben des Patienten - in der Regel nicht mehr als ein Esslöffel in einer einzigen Ziehung. Einige Blutabnahmen kommen ohne Krebszellen zurück, selbst bei Patienten mit fortgeschrittenem Krebs, und eine typische Probe enthält nicht mehr als 10 Krebszellen.

Über einige Stunden im Krankenhaus könnte das neue Gerät kontinuierlich Krebszellen direkt aus der Vene einfangen und viel größere Mengen des Blutes eines Patienten untersuchen. In Tierversuchen fing der zellgreifende Chip in der tragbaren Vorrichtung dreieinhalb Mal so viele Krebszellen pro Milliliter Blut ein wie laufende Proben, die durch Blutabnahme entnommen wurden.

"Es ist der Unterschied zwischen einer Sicherheitskamera, die alle fünf Minuten eine Momentaufnahme einer Tür macht oder ein Video. Wenn ein Eindringling zwischen den Schnappschüssen eindringt, wüssten Sie nichts davon", sagt Dr. Sunitha Nagrath, Associate Professor of Chemical Engineering an der U-M, die die Entwicklung des Geräts leitete.

Die Forschung zeigt, dass die meisten Krebszellen im Blutkreislauf nicht überleben können, aber diejenigen, die dies tun, sind eher bereit, einen neuen Tumor zu starten. Typischerweise sind es diese Satellitentumore, die sogenannten Metastasen, die tödlich sind, und nicht der ursprüngliche Tumor. Das bedeutet, dass aus dem Blut gewonnene Krebszellen bessere Informationen für die Behandlungsplanung liefern könnten als solche aus einer konventionellen Biopsie.

Das Team testete das Gerät an Hunden im Flint Animal Cancer Center der Colorado State University in Zusammenarbeit mit Douglas Thamm, VMD, einem Professor für Veterinäronkologie und Leiter der klinischen Forschung dort. Sie injizierten gesunde erwachsene Tiere mit menschlichen Krebszellen, die vom Immunsystem der Hunde im Laufe weniger Stunden ohne nachhaltige Wirkung eliminiert werden.

In den ersten zwei Stunden nach der Injektion erhielten die Hunde ein mildes Beruhigungsmittel und wurden mit dem Gerät verbunden, das zwischen 1-2 Prozent ihres Blutes durchleuchtete. Gleichzeitig ließen die Hunde alle 20 Minuten Blut entnehmen, und die Krebszellen in diesen Proben wurden mit einem Chip gleichen Designs entnommen.

Die Vorrichtung schrumpft eine Maschine, die typischerweise die Größe eines Ofens hat, auf etwas, das am Handgelenk getragen und mit einer Vene im Arm verbunden werden könnte. Für Hilfe beim Design wandte sich das Ingenieurteam an Laura Cooling, M.D., Professorin für klinische Pathologie an der U-M und stellvertretende Direktorin der Blutbank, wo sie die Systeme in Originalgröße verwaltet.

"Die schwierigsten Teile waren die Integration aller Komponenten in ein einziges Gerät und die Sicherstellung, dass das Blut nicht gerinnt, dass die Zellen den Chip nicht verstopfen und dass das gesamte Gerät völlig steril ist", sagt Dr. Tae Hyun Kim, der im Nagrath Lab in Elektrotechnik promovierte und heute Postdoc am California Institute of Technology ist.

Sie entwickelten Protokolle für die Vermischung des Blutes mit Heparin, einem Medikament, das Gerinnung verhindert, und Sterilisationsmethoden, die Bakterien abtöteten, ohne die zellspezifischen Immunmarker oder Antikörper auf dem Chip zu schädigen. Kim verpackte auch einige der kleinsten medizinischen Pumpen in einer 3-D-bedruckten Box mit der Elektronik und dem Krebszellen fangenden Chip.

Der Chip selbst ist eine neue Wendung auf einem der Geräte mit der höchsten Erfassungsrate aus Nagraths Labor. Es nutzt das Nanomaterial Graphenoxid, um dichte Wälder mit antikörperbestückten Molekülketten zu bilden, so dass es mehr als 80 Prozent der Krebszellen im Vollblut einfangen kann, das durch es fließt. Der Chip kann auch verwendet werden, um die gefangenen Krebszellen zu züchten und größere Proben für weitere Analysen zu produzieren.

In den nächsten Schritten für das Gerät hofft das Team, die Blutverarbeitungsrate zu erhöhen. Dann, angeführt von Thamm, werden sie das optimierte System nutzen, um Krebszellen von Haustieren einzufangen, die als Patienten in das Krebszentrum kommen. Chips, die auf Proteine auf der Oberfläche von Brustkrebszellen von Hunden abzielen, werden derzeit im Nagrath-Labor entwickelt.

Hayes schätzt, dass das Gerät in drei bis fünf Jahren mit Humanstudien beginnen könnte. Es würde verwendet werden, um zu helfen, Behandlungen für menschliche Krebserkrankungen zu optimieren, indem es Ärzten ermöglicht, zu sehen, ob die Krebszellen die Moleküle herstellen, die als Ziel für viele neuere Krebsmedikamente dienen.

"Das ist der Inbegriff der Präzisionsmedizin, die im Moment im Bereich der Onkologie so spannend ist", sagt Hayes.