Команда ученых и инженеров из Техасского университета в Остине изобрела мощный инструмент, который быстро и точно определяет раковые ткани во время операции, обеспечивая результаты примерно за 10 секунд – более чем в 150 раз быстрее, чем существующие технологии. MasSpec Pen – это инновационный портативный инструмент, который дает хирургам точную диагностическую информацию о том, какую ткань вырезать или сохранить, помогая улучшить лечение и снизить вероятность рецидива рака.
Исследование описано в сентябрьском. 6 выпуск журнала Science Translational Medicine.
"Если вы поговорите с онкологическими больными после операции, многие в первую очередь скажут: «Я надеюсь, что хирург вылечил весь рак» " говорит Ливия Скьявинато Эберлин, доцент кафедры химии в UT Austin, которая разработала исследование и руководила командой. "Это просто душераздирающе, когда это не так. Но наши технологии могут значительно улучшить шансы того, что хирурги действительно удалят все следы рака во время операции."
Современный современный метод диагностики рака и определения границы между раком и нормальной тканью во время операции, называемый анализом замороженного сечения, является медленным и иногда неточным. Подготовка и интерпретация каждого образца патологом может занять 30 минут или более, что увеличивает риск заражения пациента и негативных последствий анестезии. А для некоторых типов рака интерпретация замороженного разреза может быть затруднена, давая ненадежные результаты в 10-20% случаев.
Однако в тестах на тканях, удаленных у 253 больных раком человека, MasSpec Pen занял около 10 секунд для постановки диагноза и показал точность более 96%. Технология также смогла обнаружить рак в маргинальных областях между нормальными и раковыми тканями, которые имели смешанный клеточный состав. Команда рассчитывает начать тестирование этой новой технологии во время онкологических операций в 2018 году.
"Каждый раз, когда мы можем предложить пациенту более точную операцию, более быструю или более безопасную операцию, мы хотим это сделать," говорит Джеймс Сулибурк, руководитель отделения эндокринной хирургии Медицинского колледжа Бейлора и соавтор проекта. "Эта технология делает все три. Это позволяет нам быть более точными в том, какие ткани мы удаляем, а что оставляем."
Это исследование было выполнено междисциплинарной командой, объединившей области химии, инженерии и медицины. Среди других основных участников – Томас Милнер, профессор биомедицинской инженерии инженерной школы Кокрелла в UT Остине, и члены его лаборатории; Jialing Zhang, научный сотрудник лаборатории Eberlin Lab в UT Austin, который руководил экспериментальной работой с другими членами лаборатории; Анна Сораче, доцент Медицинской школы Делла в Остине, штат Вашингтон; Чандандип Наги и Вендонг Ю, профессора патологии медицинского колледжа Бейлора, и Цзинсонг Лю, профессор патологии онкологического центра Андерсона Университета Техаса.
Команда и UT Austin подали U.S. патентные заявки на технологию и сейчас работают над защитой патентов во всем мире.
Как это работает
Живые клетки, здоровые они или злокачественные, производят небольшие молекулы, называемые метаболитами. Эти молекулы участвуют во всех важных жизненных процессах, таких как выработка энергии, рост и воспроизводство, а также в других полезных функциях, таких как удаление токсинов. Каждый тип рака производит уникальный набор метаболитов и других биомаркеров, которые действуют как отпечатки пальцев.
"Раковые клетки нарушают регуляцию метаболизма, поскольку они выходят из-под контроля," говорит Эберлин. "Поскольку метаболиты в раковых и нормальных клетках очень разные, мы извлекаем и анализируем их с помощью MasSpec Pen, чтобы получить молекулярный отпечаток ткани. Что невероятно, так это то, что с помощью этого простого и щадящего химического процесса MasSpec Pen быстро предоставляет диагностическую молекулярную информацию, не вызывая повреждения тканей."
Молекулярный отпечаток пальца, полученный ручкой MasSpec Pen из не охарактеризованного образца ткани, мгновенно оценивается программным обеспечением, называемым статистическим классификатором, обученным на базе данных молекулярных отпечатков пальцев, которые Эберлин и ее коллеги собрали из 253 образцов тканей человека. Образцы включали как нормальные, так и раковые ткани груди, легких, щитовидной железы и яичников.
Когда MasSpec Pen завершит анализ, слова "Обычный" или "Рак" автоматически появляются на экране компьютера. Для некоторых видов рака, например рака легких, также может отображаться название подтипа.
В тестах, проведенных на человеческих образцах, устройство было более 96% точным для диагностики рака. Команда также продемонстрировала, что он точно диагностирует рак у живых мышей с опухолями во время операции, не вызывая заметного повреждения тканей или стресса у животных.
Врачи могут легко управлять одноразовым портативным устройством. Для этого нужно просто прижать ручку к ткани пациента, запустить автоматический анализ с помощью ножной педали и подождать несколько секунд для получения результата. Между тем ручка выпускает каплю воды на ткань, и небольшие молекулы мигрируют в воду. Затем устройство вводит образец воды в инструмент, называемый масс-спектрометром, который обнаруживает тысячи молекул как молекулярный отпечаток пальца.
Кроме того, этот процесс малоэффективен для пациентов.
"При разработке MasSpec Pen мы позаботились о том, чтобы ткань оставалась неповрежденной, контактируя только с водой и пластиковым наконечником MasSpec Pen во время процедуры," говорит Чжан. "Результатом является биосовместимое и автоматизированное медицинское устройство, которое мы очень рады очень скоро передать в клинику."