Ученые нашли эффективный метод поиска раковых клеток в крови с помощью лазера
Лазеры в медицине, Лазеры в науке 20.12.2021 Комментарии к записи Ученые нашли эффективный метод поиска раковых клеток в крови с помощью лазера отключеныПараметры лазерного излучения, при которых клетки меланомы нагреваются и порождают ультразвуковые сигналы, установили ученые Саратовского государственного университета.
Эти сведения будут использованы при создании фотоакустического цитометра, который за несколько минут сможет «просмотреть» значительный объем крови в организме пациента и обнаружить в ней раковые клетки на ранней стадии заболевания без взятия анализов.
Результаты исследования опубликованы в Scientific Reports.
Dynamic blood flow phantom for in vivo liquid biopsy standardization
In vivo liquid biopsy, especially using the photoacoustic (PA) method, demonstrated high clinical potential for early diagnosis of deadly diseases such as cancer, infections, and cardiovascular disorders through the detection of rare circulating tumor cells (CTCs), bacteria, and clots in the blood background.
https://www.nature.com/articles/s41598-020-80487-8
По словам ученых Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, смертность от онкологических заболеваний примерно в 90 процентов случаев связана с образованием метастаз, когда раковые клетки из первичной опухоли проникают в лимфатические и кровеносные сосуды и далее распространяются потоками биологических жидкостей по всему организму.
Principal scheme of in vivo flow cytometry. Left bottom—optical images of natural blood cells (red squares); right bottom—optical images of blood cell phantoms (blue squares); center—scheme of PA and Raman measurements (1064 nm laser for PA and 532 nm for Raman measurements); left top—Raman spectra of phantoms with melanin (blue) and B16F10 cells (red); right top—PA traces of blood with CTCs (red rectangle) and blood with phantoms (blue rectangle).
Первичные опухоли во многих случаях успешно удаляются хирургическим путем и неметастатический рак удается вылечить. Однако метастатический рак, при котором в различных органах развиваются многочисленные метастазы, с трудом поддается лечению. В такой ситуации важно как можно раньше обнаружить в крови пациента циркулирующие опухолевые клетки, когда лечение еще эффективно.
Scheme of PAFC setup. ADC analog-to-digital converter, PC personal computer. Vessel phantom is the plastic tube with flowing blood cell and CTC (black spots) phantoms. The filter indicates neutral filter (or several filters) for controlled laser energy attenuation. The transducer means US transducer for detection of laser-induced acoustic waves.
Метод проточной цитометрии позволяет исследовать кровь по сигналам светорассеяния и флуоресценции. В обычный проточный цитометр помещают пробирку с кровью, и прибор разделяет ее клетки так, чтобы они проходили по одной штуке через тонкую трубочку, освещает их лазером и измеряет, как они при этом светятся и как рассеивают свет лазера. Это позволяет определить, сколько и каких клеток обнаружено в крови, и помогает врачу поставить диагноз.
Ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского разрабатывают фотоакустический цитометр для поиска меланомных клеток в крови, сообщила старший научный сотрудник лаборатории биомедицинской фотоакустики Научного медицинского центра университета Ольга Иноземцева.
«Наш цитометр вместо трубочки с отдельными, хорошо разделенными клетками работает непосредственно в крупном сосуде на тыльной стороне руки, где большой поток клеток несется с высокой скоростью. Чтобы «видеть» в крови интересующие нас посторонние объекты, например, циркулирующие опухолевые клетки, мы используем технологию фотоакустики, сочетающую в себе медицинский лазер (похожий используется, например, для лазерной эпиляции) и установку УЗИ». — Ольга Иноземцева старший научный сотрудник лаборатории биомедицинской фотоакустики Научного медицинского центра
Если клетки поглощают излучение на длине волны лазера, они нагреваются, происходит тепловое расширение материала и возникает звук, очень похожий на сигнал, который используется в медицинских установках для УЗИ. Специалисты исследовали, при каких параметрах лазера меланомные клетки начинают эффективно нагреваться и порождать ультразвуковые сигналы. Выяснилось, что уровень сигнала сильно зависит от условий и стадии роста раковых клеток.
На основании полученных результатов ученые разработали искусственные «раковые» клетки – фантомы, которые начинают «звучать» при таких же параметрах и в целом ведут себя подобно раковым клеткам. Но, в отличие от них, эти фантомы сохраняют все время одинаковый сигнал, что позволяет переносить результаты проведенных измерений с одной установки на другую и использовать их в качестве эталона сигнала.
«Мы изготовили систему, включающую модельные объекты на основе диоксида кремния и собранных послойно (LbL) капсул, включающих молекулы гемоглобина или природные частицы меланина, в зависимости от требуемых свойств. Мы хотели сделать их не только похожими на реальные объекты по размеру и форме, но и смоделировать их оптические свойства и, частично, химические соединения, чтобы их можно было обнаруживать с помощью различных методов анализа», – сообщила Ольга Иноземцева.
Искусственные «раковые» клетки полностью биосовместимы, исследователи могут вводить их в кровоток лабораторных мышей и «видеть» их с помощью разрабатываемого фотоакустического проточного цитометра.
В настоящий момент исследователи дорабатывают фотоакустические проточные цитометры и уточняют параметры экспериментальной модели, которая позволит перенести технологию измерения с животных на людей.
«Наши фантомы позволяют перейти от единичных естественных циркулирующих в крови раковых клеток к десяткам тысяч искусственных, и, таким образом, набрать необходимый для создания базы данных откликов клеток объем информации», – отметила Ольга Иноземцева.
Это позволит построить цитометр, который сможет работать не с пробиркой для забора крови, куда попадают буквально считанные раковые клетки, а за 15 минут без забора крови «просмотреть» значительную часть крови, циркулирующей в организме человека. Тем самым значительно увеличится вероятность обнаружить раковую клетку на раннем этапе развития заболевания, отследить, как изменяется их число при терапии пациентов с меланомой и, при необходимости, корректировать лечение.
«Фантомы, созданные другими исследователями, значительно отличаются по параметрам от реальных раковых клеток. Они позволяют обнаруживать себя, откалибровать прибор, но не позволяют переносить параметры экспериментальной модели с животного на человека. Для этого нужны были разработанные нами фантомы», – подчеркнула автор исследования.
В ближайшее время ученые займутся созданием модели по поиску раковых клеток непосредственно в крови человека при безопасных параметрах лазера.
