Blóðsýni er dælt gegnum hárfína slöngu í flöguna sem heldur krabbafrumunum eftir.

Ein stök krabbameinsfruma sem hefur losnað úr æxli og borist út í blóðið getur orðið upphaf að nýju æxli, svonefndu meinvarpi, og um leið dregið mjög úr lífslíkum sjúklingsins. Þessar lausu krabbafrumur kallast CTC-frumur og nú kynnu þær þvert á móti að geta gagnast sjúklingnum. Þótt að jafnaði sé aðeins ein CTC-fruma í blóði krabbameinssjúklings á móti milljarði heilbrigðra frumna, hefur bandarískum vísindamönnum nú tekist að þróa kísilflögu, sem af mikilli nákvæmni grípur þessar hættulegu CTC-frumur sem leynast í blóðinu innan um heilbrigð rauð og hvít blóðkorn. Þannig getur orðið unnt að greina krabbamein áður en æxlið verður nógu stórt til að sjást í hefðbundnum skönnum og sjúklingurinn fer að fá einkenni.

Annar hópur vísindamanna hefur m.a.s. náð að skapa tækni til að rækta örfáar krabbafrumur, eða aðrar frumum, við aðstæður sem eru nánast alveg eins og í náttúrulegu umhverfi. Þetta er gert í ræktunarhólfum sem aðeins eru örfáir µl (milljónustu úr lítra) að stærð. Þar geta frumurnar vaxið til allra átta, brugðist við öðrum frumum eða lífefnum og yfirleitt hegðað sér næstum alveg eins og þær gera í líkamanum. Og vísindamennirnir geta fylgst með öllu saman í smásjánni.

Vökvi breytist í örrásum

Þessar örsmáu rannsóknastofur skapa t.d. möguleika til að skoða hvernig CTC-fruma úr blóðinu hefur áhrif á heilbrigðan vef þegar hún tekur til við að mynda meinvarp, ásamt því að prófa hvaða lyf gagnast best gegn sýktum frumum hvers einstaks sjúklings. Báðar þessar nýju uppgötvanir byggjast á svokölluðu örflæði (microfluidics) og vísar til þess að vökvi breytir um eiginleika þegar hann fer um hárpípur, sem örpípur eða örrásir.

Yfirborðsspenna vökvans breytist, seigjan líka og hið sama gildir um fleiri eðlisfræðilega eiginleika og þetta getur leitt til þess að tveir ólíkir vökvar sem flæða um sömu örrásina blandist alls ekki saman. Þetta er tiltölulega nýtt rannsóknasvið og snertir margar vísindagreinar, svo sem verkfræði, eðlis- og efnafræði og líftækni. Sem dæmi um afrakstur rannsókna á þessu nýja sviði má nefna bleksprautuprentarana.

Það eru Mehmet Toner og Sunitha Nargrath hjá læknadeild Harvard-háskóla, sem ásamt félögum sínum hafa nýtt grunnaðferðir örflæðitækninnar til að fanga stakar krabbameinsfrumur sem hafa borist út í blóðið. Til verksins nota þau kísilflögu á stærð við venjulegt sjóngler fyrir smásjá, þ.e. 7,5 x 2,5 sm að flatarmáli, eða ámóta og hálft krítarkort, með mynstri sem tært er í yfirborðið með sömu tækni og notuð er við framleiðslu á tölvuflögum.

Mynstrið er samtals 78.000 hárfínar súlur, hver um sig 100 µm í þvermál (0,1 mm) og bilið á milli þeirra er aðeins 50 µm. Vísindamennirnir notuðu tölvulíkan til að reikna út hvaða afstöðu súlurnar þyrftu að hafa hver til annarrar til að vökvi sem látinn er streyma yfir flöguna komist í sem mesta snertingu við þær. Niðurstaðan varð að súlurnar skyldu standa í ójöfnum röðum.

Snertingin er mikilvæg vegna þess að súlurnar eru þaktar mótefni gegn prótíninu EpCAM, sem situr á yfirborði næstum allra krabbameinsfrumna, en ekki á neinum öðrum frumum í blóði. Mótefnið gegn EpCAM hefur lengi verið þekkt og er m.a. notað í lyf sem ráðast beint að krabbafrumum.

Ganga allar í gildruna

Toner og Nagrath prófuðu flögu sína í fyrsta sinn með því að koma henni fyrir í hólfi og láta næringarvökva, sem í hafði verið blandað ákveðnum fjölda krabbafrumna, renna afar hægt yfir hana eða aðeins 1-2 ml/klst. Þessi upphafstilraun sýndi að meira en tveir þriðju allra krabbameinsfrumna festu sig við mótefnin á súlunum og sátu þar fastar. Þetta var miklu betri árangur en aðrir vísindamenn höfðu áður náð í tilraunum.

Niðurstöðurnar reyndust líka jafngóðar varðandi brjóstakrabbafrumur, sem hafa mikinn fjölda EpCAM-prótína, og blöðrukrabbafrumur þar sem þessi prótín eru hundraðfalt færri. Hæfnin til að fanga krabbafrumurnar reyndist heldur ekkert minni þegar þeim var blandað í blóð úr heilbrigðum einstaklingum, en þannig þurfti mótefnið að gera greinarmun á öllum heilbrigðu frumunum og krabbafrumum með EpCAM á yfirborði.

CTC-flagan var í fyrsta sinn prófuð á krabbameinssjúklingum í tilraun árið 2007. Þá voru blóðsýni tekin úr sjúklingum með krabbamein í lungum, blöðruhálskirtli, brisi og endaþarmi. Sýni voru einnig tekin úr 20 heilbrigðum einstaklingum. Eftir að um 3 ml af blóði höfðu flætt yfir persónulegar flögur hvers og eins voru flögurnar skoðaðar undir smásjá og litunartækni notuð til fullvissu um að það væru í rauninni krabbafrumur en ekki t.d. hvít blóðkorn, sem hefðu náðst. Eins og fyrr var nefnt eru heilbrigðar frumur oft um milljarður á móti hverri einni CTC-frumu. Engu að síður leiddi litunin í ljós að af öllum frumum sem mótefnið á súlunum hélt eftir, var einungis helmingurinn heilbrigðar frumur.

Niðurstöðurnar sýndu líka að CTC-frumur fundust í blóðsýnum meira en 99% krabbasjúklinga, en slíkar frumur fundust ekki í einu einasta sýni úr heilbrigðum. Sumir sjúklinganna höfðu alveg nýlega fengið greiningu og í þeim höfðu enn ekki þróast meinvörp, en engu að síður greindi flagan CTC-frumur í blóði þeirra.

Þar eð nýja flagan stendur sig mun betur við að finna hinar hættulegu CTC-frumur en nokkur fyrri greiningaraðferð, prófuðu vísindamennirnir líka hæfni hennar til að greina hvernig sjúklingar brygðust við efnameðferð eða annarri lyfjameðferð. Í ljós kom að mjög ákveðið samhengi er milli fjölda CTC-frumna og stærðar krabbameinsæxlisins. Um leið og meðferðin dró úr stærð æxlisins, fækkaði CTC-frumum í blóðinu. Þessum frumum fjölgaði hins vegar ef meðferðin virkaði ekki af einhverjum orsökum og æxlið hélt áfram að stækka.

Þannig má sem sagt bæði nota flöguna til greiningar og til að fylgjast með árangri meðferðar.

Munnvatn og þvag koma næst

Þessi tækni getur þó komið læknum að enn meiri notum, þar eð unnt er að nota önnur mótefni en gegn EpCAM og þannig má nota flöguna til að finna veirur, örverur eða aðrar gerðir af sjúkum frumum. Mehmet Toner reiknar t.d. með að aðlaga CTC-flöguna þannig að hún verði einnig fær um að greina sýni úr munnvatni og þvagi og auðvelda læknum þar með enn frekar að hraða sjúkdómsgreiningu.

Í samvinnu við lækna á ýmsum sjúkrahúsum í Boston notaði Toner CTC-flöguna til þess árið 2008 að þróa bestu mögulegu meðferð miðað við krabbameinsfrumur hvers sjúklings. Í sumum gerðum krabbameins, t.d. lungna- og brjóstakrabba, mynda krabbafrumurnar mikið af prótíninu EGFR, sem gegnir mikilvægu hlutverki varðandi hæfni þeirra til að stækka og skipta sér hömlulaust. Lyfið Gefitinib var þróað til að binda sig við prótínið og stöðva virkni þess og þetta lyf hefur reynst afar vel gegn lungnakrabba. Gallinn er sá að krabbameinsfrumur stökkbreyta sér iðulega og hætta þá að bregðast við lyfinu. Þá þarf að meðhöndla sjúklinginn með öðrum aðferðum og læknar þurfa þess vegna reglubundið að taka vefsýni úr æxlinu til greiningar og þessi sýnataka er sjúklingum erfið.

Í tilraun sinni fönguðu vísindamennirnir CTC-frumur úr blóði, einangruðu DNA og greindu hvort frumurnar hefðu stökkbreyst og væru ekki lengur móttækilegar fyrir Gefitinib. Niðurstöðurnar sýndu að CTC-frumum fækkaði við meðferðina og það kom heim og saman við minnkun æxlisins. Sameindalíffræðilegar rannsóknir á CTC-frumum sumra sjúklinga sýndu hins vegar á ákveðnum tímapunkti að frumurnar höfðu stökkbreyst og skömmu síðar gátu vísindamennirnir jafnframt sannreynt að æxlið var tekið að stækka og CTC-frumum í blóðinu fór aftur fjölgandi. Flagan reyndist þannig prýðisgott verkfæri til að fylgjast með þróun sjúkdómsins og uppgötva stökkbreytingar tímanlega þannig að strax mætti breyta um meðhöndlun.

Annar stór kostur við CTC-flöguna er sá að 98% þeirra frumna sem nást eru lifandi og því má gera á þeim margvíslegar líffræðilegar greiningar.

Þetta getur annar vísindamaður í Boston nýtt sér. Þetta er Roger Kamm hjá MIT-stofnuninni. Ásamt félögum sínum hefur hann þróað aðra tækni sem einnig grundvallast á míkróflæði og gerir kleift að rækta frumur í mjög litlum hólfum þar sem aðstæður samsvara aðstæðum í líkamanum.

Flestar frumur bregðast við snertingu við nærliggjandi frumur og slík snerting getur ýmist örvað vöxt þeirra eða dregið úr honum, t.d. þannig að þær vaxi í ákveðna átt eða taki á sig ákveðna lögun.

Annar þáttur sem skiptir máli varðandi þróun frumnanna er þéttni efna sem í náttúrulegu umhverfi er yfirleitt ekki sú sama allt í kringum frumuna. Frumur í æðavegg verða þannig fyrir áhrifum frá blóðinu öðrum megin frá, en á hina hliðina frá frumum í líkamsvefnum.

Slíkar aðstæður er ógerlegt að skapa í venjulegri petriskál þar sem frumurnar vaxa í lögum á botninum og næringarvökvinn þekur þær að ofan en kemst ekki í beina snertingu við þær að neðan.

Skoðun í eðlilegu umhverfi

Þessi vandamál hefur Kamm leyst í örsmáum ræktunarhólfum sem tærð eru niður í þunnar plastskífur. Í einföldustu útgáfunni eru tvær aðskildar rásir, í lögun svipaðar skuggamyndum af tveimur blómapottum sem snúa botnum saman. Milli rásanna tveggja, sem eru innan við 1 mm að breidd, er fáeinna millimetra stórt hólf, sem fylla má með hlaupi og nota til frumuræktunar. Örsmáar súlur í hólfinu styðja við hlaupið þannig að með sérhannaðri sprautu megi þenja það út í nákvæmlega það form sem vísindamennirnir vilja nota við tilraun sína. Þegar tilraunin hefst eru mismunandi næringarvökvar leiddir í hægum straumi gegnum rásirnar tvær. Sé t.d. hormón í annarri rásinni en ekki hinni, sígur það milli rása í gegnum hlaupklumpinn og hefur mismunandi áhrif á frumur eftir því hvar í klumpinum þær eru staddar.

Þannig má t.d. ákvarða hvort ákveðið efni virki sem hvati og fái frumurnar til að vaxa í þá átt þar sem þéttni efnisins er mest, eða hvort það hafi kannski þveröfug áhrif og hamli vexti frumnanna. Þessa tilraun er hægt að gera hvort heldur maður hefur efnið í hreinu formi, eða hefur aðeins grun um að önnur fruma gefi frá sér óþekkt efni.

Hvert skref má skoða

Árið 2009 tókst Roger Kamm og hópi hans að sýna fram á að svonefndar endotelfrumur, sem hafa hæfni til að mynda æðar, hægja á vexti sínum ef þær eru ræktaðar einar. En þegar vísindamennirnir settu lifrarfrumur handan við hlaupklumpinn, tóku endotelfrumurnar við sér og fóru að mynda fíngerðar háræðar sem teygðu sig í átt að lifrarfrumunum.

Jafnframt kom í ljós að þróun lifrarfrumna í átt að þrívíðum vef var undir því komin hvernig vökvi streymdi í gegnum vefinn frá einni rás til annarrar. Flæðinu gátu vísindamennirnir stýrt með því að hleypa örlitlum þrýstingi á aðra rásina þannig að nokkuð af vökvanum þrýstist í gegnum hlaupklumpinn og yfir í hina rásina. Þessi tilraun leiddi í ljós að frumurnar gátu myndað eðlilegan vef ef flæðinu var snúið við eftir nokkra daga og umhverfi þeirra þannig breytt.

Sama ár notuðu vísindamennirnir svo örlítið flóknari útgáfu af plastflögunni til að skoða hvernig krabbameinsfrumur geta haft áhrif á vef og fengið hann til að mynda æðar.

Krabbameinsfrumur eru mjög háðar þessari hæfni því í ört stækkandi æxli hafa frumurnar sívaxandi þörf fyrir sykur, næringarefni og súrefni. Mörg krabbameinslyf hafa það að markmiði að stöðva æðamyndun í æxlinu.

Fyrir þessa tilraun var rásum fjölgað í þrjár og æðamyndandi endotelfrumum komið fyrir í miðrásinni. Fyrst notuðu vísindamennirnir hormónið VEGF sem einmitt örvar þróun endotelfrumna í aðra af hinum rásunum tveimur og eins og vænst var tóku frumurnar að vaxa í átt að rásinni þar sem vaxtarhormónið var.

Þessu næst var vaxtarhormóninu skipt út en í stað þess settar brjóstakrabbafrumur í ystu rásina. Eftir að þessar tvær frumugerðir höfðu vaxið hlið við hlið í nokkra daga, tóku endotelfrumurnar að teygja sig að krabbafrumunum og vaxa í átt til þeirra. Endotelfrumurnar brugðust sem sagt eins við krabbameinsfrumunum og vaxtarhormóninu. Menn hafa lengi vitað að krabbafrumur gefa frá sér VEGF og fá þannig líkamsvefinn til að mynda nýjar æðar. Hin stóra nýjung felst í því að nú er fundin aðferð til að fylgjast beinlínis með því hvernig krabbafrumurnar hafa áhrif á vefinn og þetta má gera við eðlilegar aðstæður en þó í rannsóknastofu.

Bæði Roger Kamm og Mehmet Toner binda miklar vonir við nýju flögurnar sínar og telja þær muni gegna þýðingarmiklu hlutverki við þróun nýrra lyfja og greiningu sjúkdóma. Toner telur að þessar flögur geti jafnvel alveg komið í staðinn fyrir sumar ferðir til læknis: „Ég sé fyrir mér að í framtíðinni verði hægt að kaupa flögur og sjúkdómsgreina sjálfan sig heima hjá sér, rétt eins og sykursýkissjúklingar nota blóðsykurmæli.“