Создана самая быстрая камера в мире, позволяющая выявлять раковые клетки

Способность различать и выделять специфические клетки из большой клеточной популяции становится все более важной задачей, решение которой сможет помочь в ранней диагностике многих заболеваний, а также мониторинге эффективности лечения.

Одним из примеров клеток, которые необходимо дискриминировать в большой клеточной популяции, являются циркулирующие раковые клетки, покинувшие первичную опухоль. Их процент среди миллиардов здоровых клеток крайне низок, однако такие циркулирующие злокачественные клетки способны образовывать метастазы в другие органы и способствуют прогрессии рака.

Дело не ограничивается раковыми клетками: к клеткам, которым необходим строгий контроль, можно также отнести стволовые клетки, используемые в терапевтических целях.

Изолировать специфические типы клеток из большого числа разнородных клеток очень сложно. Для получения высокоточного метода необходимо автоматизированное оборудование с высокой пропускной способностью, позволяющее за достаточно короткое время изучить миллионы клеток. В настоящее время золотым стандартом при анализе клеток являются микроскопы, снабженные цифровыми камерами, но они из-за низкой пропускной способности не могут выявить среди большого количества клеток редкие типы клеток.

Инженеры из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе (University of California, UCLA, США) разработали новый оптический микроскоп, способный облегчить выполнение этой сложной задачи.

«Чтобы «поймать» специфические клетки, камера должна непрерывно фиксировать и оцифровывать миллионы изображений с высокой скоростью передачи кадров, - говорит Бахрам Джалали (Bahram Jalali) из Школы Инженерии и Прикладной Науки Генри Самьюэли (http://www.eng.uci.edu/) (Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, США) при UCLA. - Скорость и чувствительность обычных CCD- и CMOS-камер недостаточны для этого. Таким камерам нужно время, чтобы считать данные с массива пикселей, и они менее чувствительны к свету при работе на высокой скорости».

Применяемый в настоящее время метод проточной цитометрии имеет высокую пропускную способность. Но, в связи с тем, что он зависит только от одной точки рассеивания света, в отличие от фотографирования, он недостаточно чувствителен, чтобы определить редкие типы клеток, например, клетки, присутствующие в организме пациентов на ранней стадии рака или во время метастазирования.

Разрабатывая новый прибор, международная команда ученых под руководством Бахрама Джалали и Дино Ди Карло (Dino Di Carlo), доцента в области биоинженерии из UCLA, использовала последние достижения в области оптики, высокоскоростной электроники, технологии микрожидкостей и биотехнологии. Ученые разработали оптический микроскоп с высокой пропускной способностью проходящего потока, способный определять редкие типы клеток, и обладающий чувствительностью один на миллион в режиме реального времени.

Новый прибор основан на фотонной, растягивающей время, технологии камер, разработанной командой Джалали в 2009 г. с целью получить самую быструю в мире постоянно работающую камеру.

В статье, опубликованной в последнем номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые описывают, как создавался прибор, способный классифицировать клетки в образцах крови. Исследователи совместили камеру, разработанную командой Джалали, с современной микрожидкостной технологией и обработкой изображений в режиме реального времени. Новый прибор для скрининга образцов крови обладает пропускной способностью в 100 тыс. клеток в секунду, что приблизительно в 100 раз больше, чем у традиционных анализаторов крови, основанных на построении изображений.

По словам Ди Карло, благодаря сотрудничеству кафедр биоинженерии и электрической инженерии и Калифорнийского Института Наносистем (California NanoSystems Institute, США) удалось интегрировать несколько новейших технологий и создать уникальный оптический микроскоп. Разработка вносит существенный вклад в технологическую инфраструктуру, создаваемую в UCLA для диагностики заболеваний, основанной на анализе клеток.

С помощью нового прибора ученые продемонстрировали выявление в образцах крови редких раковых клеток молочной железы в режиме реального времени. Метод обладает высокой точностью, ошибка при записи составила одна клетка на миллион исследованных. Новая технология может помочь быстро определить редкие циркулирующие раковые клетки в больших объемах крови. Это важно для ранней и точной диагностики рака, а также мониторинга эффективности применения лекарственных препаратов и лучевой терапии.

«Новая технология может существенно сократить число ошибок и объем затрат на медицинскую диагностику», - говорит один из авторов исследования, руководитель программы в области электронной техники и биоинженерии, Кейсуке Года (Keisuke Goda) из UCLA.

При проведении экспериментов ученые смешивали в различных концентрациях человеческую кровь и полученные в лаборатории раковые клетки, чтобы создать кровь, похожую на таковую больного раком.

В настоящее время совместно с врачами уже проводится клиническое тестирование новой технологии, направленное на подтверждение ее эффективности. По словам ученых, разработанный прибор может быть также полезен для анализа мочи, наблюдений за качеством воды и в других научных областях.

Исследование было финансировано U.S. Congressionally Directed Medical Research Programs (CDMRP), NantWorks LLC и Burroughs Wellcome Fund.

Оптический микроскоп с самой быстрой камерой в мире (фото: Image courtesy of University of California - Los Angeles)

По материалам University of California - Los Angeles

Оригинальная статья:

K. Goda, A. Ayazi, D. R. Gossett, J. Sadasivam, C. K. Lonappan, E. Sollier, A. M. Fard, S. C. Hur, J. Adam, C. Murray, C. Wang, N. Brackbill, D. Di Carlo, B. Jalali. High-throughput single-microparticle imaging flow analyzer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012; DOI: 10.1073/pnas.1204718109