Urządzenie drukujące z mikroprzepływem 3D zaprojektowane w celu dostosowania leczenia raka

Testowanie leczenia raka jest obecnie dużo próbne i błędne, a pacjenci często poddawani są wielu niewygodnym i czasochłonnym terapiom przed znalezieniem takiego, który działa. Poczyniono postępy, w tym rozwój sztucznych nowotworów w celu testowania leków na określone typy raka, ale te guzy mogą trwać tygodnie i nie uwzględniają indywidualnego biologicznego charakteru pacjentów. Teraz jednak badacze z MIT i Draper University opracowali nową opcję: urządzenie z mikropłytkami z nadrukiem 3D, które symuluje leczenie nowotworów na biopsyjnej tkance rakowej CD3D < /a>.

Urządzenie to układ nieco większy niż jedna czwarta, który można wydrukować w 3D w ciągu godziny. Ma wystające z powierzchni trzy cylindryczne kominy, które są portami, które wprowadzają i odprowadzają płyny, a także usuwają niechciane pęcherzyki powietrza. Biopsyjne fragmenty guza umieszcza się w komorze połączonej z siecią dostarczającą płyny do tkanki. Płyny te mogą zawierać czynniki immunoterapeutyczne lub komórki odpornościowe. Klinicyści mogą następnie zastosować techniki obrazowania, aby zobaczyć, jak tkanka reaguje na leczenie.

Naukowcy zastosowali nowy rodzaj biokompatybilnej żywicy, tradycyjnie wykorzystywanej w stomatologii, która może wspierać długoterminowe przetrwanie biopsji . Kontrastuje to z innymi drukowanymi mikroprzepływowo urządzeniami do testowania 3D, które zawierają substancje chemiczne w żywicy, które szybko zabijają komórki. Obrazy z mikroskopii fluorescencyjnej wykazały, że nowe urządzenie, zwane platformą do analizy nowotworów lub TAP, utrzymywało ponad 90 procent żywej tkanki przez co najmniej 72 godziny i potencjalnie znacznie dłużej.

TAP jest tani i łatwy do udowodnić, że można go szybko wdrożyć w ustawienia kliniczne, według naukowców. Urządzenia można również dostosowywać - lekarze mogą drukować w 3D multipleksowane urządzenie, które może obsługiwać wiele próbek guza równolegle, tak aby interakcje między fragmentami guza i kilkoma różnymi lekami można było modelować jednocześnie dla jednego pacjenta.

"Ludzie na całym świecie mogą drukować nasz projekt. Możesz sobie wyobrazić przyszłość, w której twój lekarz będzie miał drukarkę 3D i będzie mógł drukować urządzenia w razie potrzeby ", powiedział Luis Fernando Velásquez-García, naukowiec z Microsystems Technology Laboratories. "Jeśli ktoś ma raka, możesz wziąć trochę tkanki w naszym urządzeniu i utrzymać przy życiu nowotwór, aby równolegle przeprowadzić wiele testów i dowiedzieć się, co by działałonajlepiej z biologicznym makijażem pacjenta. A następnie wdrożyć to leczenie u pacjenta. "

Jedną z potencjalnych aplikacji jest test immunoterapii, nowej metody leczenia, która wykorzystuje leki, aby" podnieść "układ odpornościowy pacjenta, aby pomóc mu w walce z rakiem.

"Terapie immunologiczne zostały opracowane specjalnie w celu nakierowania na markery molekularne znajdujące się na powierzchni komórek nowotworowych" - powiedziała Ashley Beckwith, absolwentka naukowa. "Pomaga to zapewnić, że leczenie wywołuje atak bezpośrednio na raka, ograniczając jednocześnie negatywny wpływ na zdrową tkankę. Jednak rak każdego osobnika wyraża unikalny zestaw cząsteczek powierzchniowych - jako taki może być trudny do przewidzenia, kto odpowie na które leczenie. Nasze urządzenie wykorzystuje rzeczywistą tkankę osoby, dzięki czemu doskonale nadaje się do immunoterapii. "

Badania zostały opublikowane w artykule zatytułowanym" Monolityczna, drukowana w 3D platforma mikrofluidyczna do rekapitulacji dynamicznych mikrośrodowisk nowotworowych ".

"Kluczowym wyzwaniem w badaniach nad nowotworami było opracowanie mikrośrodowisk nowotworów, które symulują mechanizmy progresji nowotworów i efekty zabójcze dla nowotworów nowych leków" - powiedział Jeffrey T. Borenstein, który kieruje immunoonkologią program w Draper. "Dzięki współpracy z Luisem i MTL jesteśmy w stanie skorzystać z ich ogromnej wiedzy specjalistycznej w zakresie technologii dodawania i materiałów, dzięki niezwykle szybkim cyklom projektowania w budowaniu i testowaniu tych systemów."

Urządzenia mikroprzepływowe są zwykle produkowane za pomocą mikromoldingu z PDMS. Technika ta nie nadawała się jednak do produkcji urządzenia z drobnymi elementami 3D, takimi jak kanały płynowe, dlatego badacze zwrócili się do druku 3D, który pozwolił im stworzyć urządzenie w jednym kawałku. Eksperymentowali z kilkoma żywicami, ale ostatecznie zdecydowali się na Pro3dure GR-10, który jest często używany do tworzenia ochraniaczy. Żywica jest prawie tak przezroczysta jak szkło, może być drukowana w bardzo wysokiej rozdzielczości i prawie nie ma wad powierzchni - i nie uszkadza komórek.

"Kiedy drukujesz niektóre z tych innych materiałów żywicznych , emitują substancje chemiczne, które niszczą komórki i zabijają je. Ale tego nie robi ", powiedział Velasquez-Garcia. "Zgodnie z moją wiedzą, nie ma innego materiału do druku, który zbliżyłby się do tego stopnia bezwładności. To tak, jakby materiału tam nie było. "

Urządzenie ma również" pułapkę bąbelkową "i" pułapkę nowotworową ". Płyny wpływające dotakie urządzenie tworzy pęcherzyki, które mogą zakłócić eksperyment lub rozerwać i uwolnić powietrze, które niszczy tkankę nowotworową. Tak więc naukowcy stworzyli pułapkę pęcherzykową, komin, który unosi się z kanału płynnego do gwintowanego portu, przez który ucieka powietrze. Płyn zostaje wtryśnięty do portu wlotowego sąsiadującego z pułapką, a następnie przepływa obok pułapki, gdzie wszelkie bąbelki w płynie wznoszą się przez gwintowany otwór i poza urządzenie. Płyn jest następnie kierowany dookoła małego obrotu zwoju do komory guza, gdzie przepływa przez i wokół fragmentu guza.

Pułapka guza znajduje się na przecięciu większego kanału wlotowego i czterech mniejszych kanałów wlotowych. Fragmenty guza o średnicy mniejszej niż jeden milimetr są wstrzykiwane do kanału wlotowego za pośrednictwem pułapki pęcherzykowej. Gdy płyn przepływa przez urządzenie, guz jest kierowany w dół do pułapki guza, gdzie zostaje złapany. Płyn w dalszym ciągu przemieszcza się wzdłuż kanałów wylotowych, które są zbyt małe, aby guz mógł się w nim zmieścić, i spływają z urządzenia. Ciągły przepływ płynów utrzymuje fragment nowotworu na swoim miejscu i stale uzupełnia składniki odżywcze dla komórek.

"Ponieważ nasze urządzenie jest drukowane trójwymiarowo, mogliśmy tworzyć geometrie, które chcieliśmy, w materiałach, które chcieliśmy osiągnąć pożądany efekt, zamiast iść na kompromis między tym, co zostało zaprojektowane, a tym, co można by zaimplementować - co zwykle ma miejsce w przypadku standardowego mikroprzetwarzania ", powiedział Velásquez-García.

Następnym krokiem jest sprawdzenie, w jaki sposób fragmenty nowotworu reagują na terapie.

"Tradycyjny PDMS nie może stworzyć struktur potrzebnych do tego środowiska in vitro, które może utrzymać fragmenty guza przy życiu przez długi okres czasu" - powiedział Roger Howe. profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Stanforda, który nie był zaangażowany w badania. "To, że możesz teraz tworzyć bardzo złożone komory przepływowe, które pozwolą szybko i realistycznie badać różne leki na guzy, a potencjalnie w warunkach klinicznych, jest dużym wkładem."