Циркулирующие опухолевые клетки

Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) являются важными мишенями для исследований биологии рака. Для дальнейшего выяснения роли ЦОК в метастазировании и прогнозировании рака необходимо разработать эффективные методы выделения крайне редких опухолевых клеток из периферической крови. Акустические методы, которые, как известно, сохраняют целостность, функциональность и жизнеспособность биологических клеток с помощью безметочной и бесконтактной сортировки, до сих пор не были успешно разработаны для выделения редких ЦОК с использованием клинических образцов от онкологических больных из-за технических ограничений, недостаточной пропускной способности и отсутствии долговременной стабильности устройства. В этой работе мы демонстрируем разработку акустического микрофлюидного устройства, способного к высокопроизводительному отделению ЦОК из образцов периферической крови, полученных от больных раком. В нашем методе используются стоячие поверхностные акустические волны с наклонным углом. Было проведено параметрическое численное моделирование для разработки оптимальной геометрии устройства, угла наклона и пропускной способности клеток, которая более чем в 20 раз выше, чем это было возможно ранее для таких устройств. Сначала мы подтвердили возможности этого устройства, успешно отделив низкие концентрации (∼100 клеток/мл) различных раковых клеток из линий клеточных культур лейкоцитов с коэффициентом восстановления лучше 83%. Затем мы продемонстрировали выделение ЦОК в образцах крови, полученных от пациентов с раком молочной железы. Таким образом, наш акустический метод разделения может служить бесценным дополнительным инструментом в исследованиях рака, диагностике, оценке эффективности лекарств и терапии благодаря его превосходной биосовместимости, простоте конструкции и автоматизированной работе без маркеров, а также возможности выделения редких ЦОК в жизнеспособном состоянии.

Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) служат мишенью при жидкой биопсии для диагностики рака, генотипирования и прогнозирования (1). Мониторинг фенотипических и генотипических изменений в ЦОК во время курса химиотерапии может быть полезным для принятия терапевтических решений (2). Кроме того, они позволили бы по-новому взглянуть на неуловимый, но смертельный процесс метастазирования рака (3–5). Чтобы реализовать эти потенциальные выгоды от ЦОК, необходимо лучшее понимание ЦОК. Однако ЦОК являются трудными мишенями для зондирования из-за их чрезвычайно низкой концентрации в периферической крови (обычно в диапазоне 1–100 клеток/мл крови). Поэтому для облегчения изучения ЦОК необходимы эффективные методы разделения клеток.

В настоящее время методы выделения ЦОК можно разделить на две основные категории: антителозависимые и антителонезависимые (4). Антителозависимые методы используют опухолеспецифические антитела для идентификации ЦОК. При таком подходе в сочетании с магнитными или флуоресцентными маркерами ЦОК можно выделить из других клеток крови (5, 6). Ограничение этой стратегии заключается в том, что разделение ЦОК требует априорного знания соответствующих антител. Однако экспрессия некоторых биомаркеров представляет собой высокодинамичный и гетерогенный процесс, специфичный для пациента. Таким образом, результаты, полученные с помощью антителозависимых методов, и эффективность этих методов при обнаружении ЦОК могут быть искажены выбором антител-мишеней.

В качестве дополнительной стратегии, независимые от антител методы позволяют разделять ЦОК на основе их физических свойств, таких как размер, деформируемость и электрические свойства, без необходимости априорного выбора правильных антител (7). Среди различных методов разделения, основанных на физических свойствах клеток (8–11), подходы, основанные на акустике, обладают несколькими уникальными характеристиками (12).

Во-первых, известно, что акустическое разделение обеспечивает превосходную биосовместимость с точки зрения сохранения фенотипа и генотипа клетки по сравнению с другими методами. Ультразвук, акустический метод, широко используемый в медицинской визуализации на протяжении десятилетий, доказал свою исключительную безопасность. Недавние исследования (13) также показывают, что акустическое разделение клеток, которое работает с интенсивностью мощности и частотой, аналогичными ультразвуковой визуализации, мало влияет на жизнеспособность, функцию и экспрессию генов клеток при соответствующей интенсивности мощности. Более того, подходы акустического разделения не требуют модификации среды, в которой клетки культивируются и разделяются, а клетки не требуют меток или модификации поверхности. Этот биосовместимый процесс разделения максимизирует потенциал ЦОК к поддержанию в их исходном состоянии, культивированию и анализа in vitro или ex vivo. В результате большое количество раковых клеток, полученных от пациентов, можно было получить с помощью венепункции вместо инвазивной биопсии. Эти характеристики акустического метода позволяют не только проводить более точный и всесторонний анализ ЦОК, но также открывают возможности для более эффективных методов лечения рака, таких как неинвазивное тестирование лекарственной чувствительности больных раком в ходе химиотерапии (3) и, возможно, раннему выявлению рака и/или метастазов.