Высокотехнологичная двуствольная нанопипетка, разработанная учеными из Университета Лидса и примененная для решения глобальной медицинской проблемы рака, впервые позволила исследователям увидеть, как отдельные живые раковые клетки реагируют на лечение и изменяются с течением времени. обеспечивая жизненно важное понимание, которое могло бы помочь врачам разработать более эффективные лекарства от рака. Их выводы опубликованы в журнале Science Advances .
Инструмент имеет две наноскопические иглы, что означает, что он может одновременно вводить и извлекать образец из одной и той же клетки, что расширяет его потенциальные возможности. Исследование показывает, что высокий уровень полуавтоматизации платформы значительно ускорил этот процесс, позволив ученым извлекать данные из гораздо большего числа отдельных клеток с гораздо большей точностью и эффективностью, чем это было возможно ранее.
В настоящее время методы изучения одиночных клеток обычно их уничтожают, то есть клетку можно изучать как до лечения, так и после.
Это устройство может неоднократно брать «биопсию» живой клетки во время лечения рака, отбирая крошечные экстракты ее содержимого, не убивая ее, что позволяет ученым наблюдать за ее реакцией с течением времени.
В ходе исследования многопрофильная группа, состоящая из биологов и инженеров, проверила устойчивость раковых клеток к химиотерапии и лучевой терапии, используя в качестве тестового примера глиобластому (ГБМ) — самую смертоносную форму опухоли головного мозга, из-за ее способности адаптироваться к лечению. и выжить.
Эта видеозапись извлечения образца из одной клетки нанопипеткой была снята в 2011 году, когда устройство разрабатывалось. Видео процесса, используемого в этом новом исследовании, выглядело бы иначе, но оно полезно для демонстрации процедуры «нанобиопсии». Фото: доктор Паоло Актис.
Значительный прорыв
Один из авторов статьи, доктор Люси Стед, доцент кафедры биологии рака головного мозга медицинского факультета Университета Лидса, сказала: «Это значительный прорыв. Впервые у нас есть технология, с помощью которой мы можем на самом деле отслеживать изменения, происходящие после лечения, а не просто предполагать их.
«Такой тип технологии обеспечит уровень понимания, которого у нас просто никогда раньше не было. И это новое понимание и понимание приведут к появлению в нашем арсенале нового оружия против всех типов рака».
Она добавила: «GBM — это рак, который больше всего нуждается в этом новом оружии, потому что за 20 лет не произошло никакого улучшения выживаемости при этом заболевании.
«Она настолько отстает, и мы думаем, что это связано с очень «пластической» природой этих опухолей — их способностью адаптироваться к лечению и выживать при нем.
«Вот почему так важно, чтобы мы могли динамически наблюдать и характеризовать эти клетки по мере их изменения, чтобы мы могли наметить путь, который могут пройти эти клетки, и впоследствии найти способы остановить их на каждом шагу. Мы просто не могли этого сделать». это с теми технологиями, которые у нас были».
Инфографика двухцилиндровой нанопипетки, демонстрирующая, как она работает. Кредит: Изображение разработано Somersault1824. Предоставлено: Университет Лидса.
преобразующий
Доктор Стед возглавляет исследовательскую группу по геномике глиомы в Институте медицинских исследований Лидса при больнице Сент-Джеймс, которая занимается лечением опухолей головного мозга ГБМ. Она добавила: «Эта технология может изменить ситуацию с этим конкретным раком, помогая нам, наконец, определить эффективные методы лечения этой ужасной, неизлечимой болезни».
Доктор Саймон Ньюман, главный научный сотрудник The Brain Tumor Charity, сказал: «Мы знаем, что клетки глиобластомы по-разному реагируют на лечение, часто развивая резистентность к лечению, что приводит к рецидиву. Разработка этой новой технологии, которая может извлекать образцы из выращенных опухолевых клеток в лаборатории до и после лечения даст уникальное представление о том, как может развиться устойчивость к лекарствам и привести к повторному росту опухолей.
«Мы надеемся, что эта важная работа... улучшит наши знания об этих сложных опухолях головного мозга и позволит нам найти новые, более эффективные методы лечения — то, что так остро необходимо тем, кто столкнулся с этой разрушительной болезнью».
Исследование было проведено в сотрудничестве между исследователями из Центра исследования материалов Брэгга в Лидсе; Школа электроники и электротехники Лидса; Институт медицинских исследований Лидса и Институт Эрлхема, Норидж, которые изучали отдельные клетки ГБМ в течение 72 часов.
Они использовали нанохирургическую платформу, которая слишком мала, чтобы ею можно было манипулировать вручную. Крохотные иглы точно контролируются роботизированным программным обеспечением, перемещая их в нужное положение в клетки в чашке Петри. Вторая игла нанопипетки играет фундаментальную роль в управлении оборудованием.
Устройство позволяет ученым неоднократно брать образцы, чтобы изучать развитие заболевания в отдельной клетке. Многие исследования в области молекулярной биологии проводятся на популяциях клеток и дают усредненный результат, игнорируя тот факт, что каждая клетка индивидуальна.
Некоторые клетки погибают во время лечения, но другие выживают. Ключом к поиску лекарства является понимание того, что позволяет одной клетке выжить и что происходит с теми, которые умирают.
Флуоресцентные изображения раковых клеток головного мозга, которые пережили химиотерапию и лучевую терапию и разделились. Была одна клетка до лечения и три клетки после лечения. Фото: доктор Фабио Маркуччо.
Беспрецедентная точность
Ведущий автор доктор Фабио Маркуччио, научный сотрудник медицинского факультета Имперского колледжа Лондона, который проводил исследование в Лидсе, сказал: «Наше устройство позволяет изучать то, как клетки рака мозга адаптируются к лечению с течением времени, с беспрецедентной скоростью». Этот инструмент предоставит данные, которые могут привести к значительным улучшениям в лечении рака и прогнозах».
Он добавил: «Эта работа является результатом совместных усилий моих коллег и соруководителей доктора Чалмерса Чау, научного сотрудника в области бионанотехнологии в Школе электроники и электротехники Лидса, и доктора Джорджет Таннер, ранее работавшей в Лидсе, а сейчас Биоинформатик из Oxford Nanopore Technologies, чей вклад имел основополагающее значение для планирования экспериментов и анализа данных. Это демонстрирует важность создания междисциплинарной команды для решения самых больших проблем нашего времени».
Пластичность раковых клеток — способность клеток менять свое поведение — является одной из самых больших проблем в лечении рака , поскольку она остается плохо изученной. Раковые клетки ГБМ особенно «пластичны»: они могут очень быстро адаптироваться, и считается, что это помогает им развить устойчивость к лучевой и химиотерапии. Изучение того, как эти клетки адаптируются, а затем и того, как мы можем их блокировать, может предотвратить рецидив рака, что почти всегда происходит с GBM.
Крайне важно
Другой автор-корреспондент и соруководитель доктор Паоло Актис, доцент кафедры бионанотехнологий в Школе электроники и электротехники Лидса, работает над инструментом нанобиопсии около 15 лет и заявил о его новых возможностях по сравнению с его оригинальным масштаб, обеспечивший «замечательные преимущества».
Он добавил: «Раковые клетки, которые не уничтожаются химиотерапией, заставляют рак расти снова и приводят к смерти.
«Наш инструмент может точно определить эти клетки, и теперь мы можем проводить их биопсию, чтобы мы могли конкретно изучить, как изменились те, которые выжили после лечения.
«Это чрезвычайно важно, поскольку чем лучше мы поймем, как изменяются клетки, тем больше лекарств мы сможем разработать, чтобы помешать им адаптироваться».
Доктор Стед сказал, что необходимо провести дальнейшие исследования, используя эту технологию на гораздо большем количестве образцов в лаборатории и на людях, но они уже дали чрезвычайно ценную информацию.
