Zirkulierende Tumorzellen (CTCs)—eine fortgeschrittene form der Krebs-Zelle, die zwischen einem primären und metastatischen tumor-Zelle—tragen Sie eine Fundgrube von Informationen, die entscheidend für die Behandlung von Krebs. Zahlreiche technischen Fortschritts über die Jahre haben es möglich gemacht, extrahieren die Zellen mittels flüssig-Biopsie und analysieren Sie Sie zur überwachung eines einzelnen Patienten ansprechen auf die Behandlung und Rückfall vorherzusagen.
Dank deutlicher Fortschritte in Richtung der Schaffung gentechnisch veränderten Maus-Modellen, flüssige Biopsien halten große Versprechen für das Labor als gut. Diese Maus-Modelle imitieren viele Aspekte des menschlichen tumor-Entwicklung und aktiviert haben aussagekräftige Studien, die nicht durchgeführt werden bei Patienten. Zum Beispiel diese Modelle können verwendet werden, um zu verfolgen die Entwicklung der Zellen von der ersten mutation bis zur eventuellen Metastasierung, ein Prozess, in dem die CTCs, spielen eine entscheidende Rolle. Aber da es nicht möglich war, zu überwachen CTCs im Laufe der Zeit an Mäusen, die Wissenschaftler die Fähigkeit zu lernen, die wichtige Merkmale der Metastasen begrenzt worden.
Die Herausforderung liegt in der Erfassung genügend Zellen führen solche längsschnittstudien. Obwohl primäre Tumoren Schuppen CTCs ständig, die Dichte von CTCs im Blut sehr niedrig ist—weniger als 100 CTC pro milliliter. Für die menschlichen Patienten, die sich flüssige Biopsie, dies ist nicht ein problem. Die ärzte können dann zurücktreten, genug Blut zu garantieren, eine ausreichende Stichprobe von CTCs, nur ein paar Milliliter aus fünf oder so Liter im Durchschnitt, mit minimalen Auswirkungen auf den Patienten.
Eine Maus, auf der anderen Seite, hat nur etwa 1,5 Milliliter Blut insgesamt. Wenn die Forscher wollen untersuchen, CTCs im Laufe der Zeit, können Sie sicher zurückziehen, nicht mehr als ein paar Mikroliter Blut von einer Maus jeden Tag—bei weitem nicht genug, um sicherzustellen, dass viele (oder alle) CTCs gesammelt werden.
Aber mit einem neuen Ansatz entwickelt von Forschern am Koch Institute for Integrative Cancer Research, ist es nun möglich zu sammeln CTCs von Mäusen, die über Tage und sogar Wochen, und analysieren Sie, wie die Krankheit fortschreitet. Das system, beschrieben in den Proceedings of the National Academy of Sciences der Woche vom Jan. 21, lenkt Blut zu einem Mikrofluidik-cell-sorting chip, Auszüge einzelner CTCs vor der Rückkehr das Blut wieder zu einem Wachen Maus.
Ein Menü mit möglichen
Die inspiration für das Projekt war gekocht, nicht im Labor, aber während einer zufälligen Begegnung in der Koch-Café zwischen Tyler Jacks, Direktor der Koch-Instituts und der David H. Koch Professor der Biologie, und Scott Manalis, der Andrew und Erna Viterbi-Professor in den Abteilungen der Biologischen Verfahrenstechnik und Maschinenbau, sowie ein Mitglied der Koch-Instituts.
Wie es der Zufall und das Mittag-Linien wäre es, das paar wäre zu diskutieren, – Arbeit Arbeit dann-graduate-student Shawn Davidson, die mit einem Dialyse-ähnlichen system zu verfolgen Metaboliten in die Blutbahn von Mäusen im Labor von Matthew Vander Heiden, ein außerordentlicher professor der Biologie. Buchsen und Manalis inspiriert wurden: Könnte ein ähnlicher Ansatz könnte verwendet werden, um zu studieren selten CTCs in Echtzeit?
Zusammen mit Ihren Koch-Institut Kollegen Alex K. Shalek, die Pfizer-Laubach Career Development Assistant Professor für Chemie und Kern-Mitglied des Instituts für Medizintechnik und Wissenschaft (IMES) am MIT, die es dauern würde, Buchsen und Manalis mehr als fünf Jahren auf alle Teile des Systems zusammen, die aus unterschiedlichen Bereichen know-how rund um Koch-Institut. Die Buchsen lab versorgt seine Leuchtstoff-small cell lung cancer-Modell, das Manalis lab entwickelt, die Echtzeit-CTC-isolation-Plattform, und die Shalek lab zur Verfügung gestellt genomischer profile der gesammelten CTCs mittels single-cell-RNA-Sequenzierung.
„Dies ist ein Projekt, das nicht gelungen, ohne eine nachhaltige Anstrengung von verschiedenen Laboren mit sehr unterschiedlichen Gruppen von know-how. Für mein Labor, die besteht hauptsächlich aus Ingenieuren, die Möglichkeit zur Teilnahme an dieser Art von Forschung ist unglaublich spannend und ist der Grund, warum wir in der Koch-Instituts,“ Manalis sagt.
Die CTC-sorter verwendet laser-Anregung zur Identifizierung tumor-Zellen mit einem fluoreszierenden marker, die ist eingebaut in der Maus-Modell. Das system zieht das Blut von der Maus und leitet Sie durch einen mikrofluidischen chip zu erkennen und zu extrahieren Sie die leuchtende CTCs vor der Rückkehr das Blut wieder zurück an die Maus. Eine winzige Menge von Blut—etwa 100 nanoliters—umgeleitet wird mit jedem detektierten CTC in ein collection-tube, die dann gereinigt und weiter zu extrahieren einzelner CTCs aus den tausenden von anderen Zellen im Blut.
„Die Echtzeit-Detektion von CTCs passiert mit einer Durchflussrate von etwa 2 Milliliter pro Stunde, was uns ermöglicht, scan-fast das gesamte Blutvolumen eines Wachen und verschieben der Maus innerhalb einer Stunde“, sagt Baschar Al-Hamza, ein student im Aufbaustudium in der Manalis lab und einer der führenden Autoren auf dem Papier.
Biologie im Blut
Mit der Entwicklung eines real-time cell sorter, konnten die Forscher nun erstmals, längs sammeln CTCs von der gleichen Maus.
Zuvor, das geringe Blutvolumen von Mäusen und die Seltenheit der CTCs bedeutete, dass Gruppen von Mäusen musste geopfert werden, die bei aufeinander folgenden Zeiten, so dass Ihre CTCs könnten zusammengefasst werden. Allerdings CTCs aus verschiedenen Mäuse haben oft deutlich unterschiedliche gen-Ausdruck-profile verdecken können subtile Veränderungen, die sich aus der Entwicklung des Tumors oder eine Störung wie eine Droge.
Um zu demonstrieren, dass Ihre Zell-sorter könnte die Erfassung dieser Unterschiede, die die Forscher behandelten Mäuse mit einer Substanz namens JQ1, von dem bekannt ist, hemmt die proliferation von Krebszellen zu stören Genexpression. CTCs wurden gesammelt und ein Profil mit single-cell-RNA-Sequenzierung für zwei Stunden vor der Behandlung und dann alle 24 Stunden nach der ersten Behandlung für vier Tage.
Wenn die Forscher gepoolten Daten für alle Mäuse, die behandelt worden waren, mit JQ1, fanden Sie, dass die gruppierten Daten anhand einzelner Mäuse, bietet keine Bestätigung, dass das Medikament beeinflusst die CTC-gen-expression über die Zeit. Allerdings, wenn die Wissenschaftler analysierten die Einzel-Maus-Daten, die Sie beobachtet Genexpression Verschiebung mit der Zeit.
„Was ist so spannend über diese Plattform und unser Ansatz ist, dass wir endlich die Gelegenheit haben, umfassend Studie, längs-CTC Antworten, ohne sich Gedanken über die potenziell verzerrende Effekte von Maus-zu-Maus-Variabilität. Ich kann nicht warten, um zu sehen, was wir in der Lage sein zu lernen, wie wir Profil mehr CTCs, und Ihre ausgeglichenen primären und metastatischen Tumoren,“ sagt Shalek.
Forscher glauben, dass Ihr Ansatz, die Sie zu verwenden beabsichtigen, in weiteren Krebsarten, einschließlich nicht-kleinzelligem Lungenkrebs, Bauchspeicheldrüsenkrebs, Brustkrebs, könnte neue Alleen der Untersuchung in der Studie von CTCs, wie das Studium langfristige medikamentöse Reaktionen, Charakterisierung Ihrer Beziehung zu metastasierten Tumoren, und Messen die Geschwindigkeit Ihrer Produktion in kurzen Fristen—und die gesamte metastatischen Kaskade. In Zukunft arbeiten die Forscher auch planen, verwenden Sie Ihren Ansatz für die Profilierung seltenen immun-Zellen und-überwachung-Zellen in dynamischen Kontexten wie der Wundheilung und Tumorbildung.