Доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Рочестера Майкл Кинг изобрел устройство, которое фильтрует кровь от рака и стволовых клеток. Когда он захватывает раковые клетки, он их убивает. Когда он захватывает стволовые клетки, он собирает их для дальнейшего использования в тканевой инженерии, трансплантации костного мозга и других приложениях, которые лечат болезни человека и улучшают здоровье.
С Николой Чарльз, Джаредом Канофски и Джейн Л. Лисвельд из Университета Рочестера, Кинг писал о своих открытиях в "Использование функционализированных белком микроканалов для разделения стволовых клеток," Бумага №. ICNMM2006-96228, Протоколы ASME, июнь 2006 г. В команду Кинга входят ученые из StemCapture, Inc., компания из Рочестера, которая купила университетский патент на метод Кинга в ноябре 2005 года для создания устройств для уничтожения рака и сбора стволовых клеток. Этот метод можно использовать in vivo, то есть устройство вставляется в тело, или in vitro, и в этом случае устройство находится вне тела – в любом случае устройство убивает раковые клетки и захватывает стволовые клетки, которые превращаются в клетки крови. , кость, хрящ и жир.
Когда Кинг работал в Пенсильванском университете с 1999 по 2001 год, один из его коллег по лаборатории обнаружил, что стволовые клетки костного мозга прикрепляются к адгезивным белкам, называемым селектинами, сильнее, чем другие клетки, включая клетки крови, прилипают к селектинам. Когда Кинг приехал в Рочестерский университет в начале 2002 года, он начал изучать адгезию клеток крови к сосудистой стенке, внутренней выстилке кровеносных сосудов. Во время воспаления сосудистая стенка представляет поверхностные селектины, которые специфически прикрепляются к лейкоцитам. Эти селектины заставляют белые кровяные тельца медленно катиться по сосудистой стенке в поисках сигналов, которые говорят им выползать из кровотока. Вот как лейкоциты мигрируют в бактериальные инфекции и повреждения тканей. Кинг решил найти способ воспроизвести этот естественный процесс.
Во-первых, он отметил, что селектины образуют связи с лейкоцитами за доли секунды, а затем немедленно выпускают клетки обратно в кровоток. Он также понял, что селектин – это адгезивный механизм, с помощью которого стволовые клетки костного мозга покидают кровоток и возвращаются в костный мозг. Так работает трансплантация костного мозга. Наконец, он узнал, что когда раковая клетка вырывается из первичной опухоли и попадает в кровоток, она попадает через кровоток в удаленный орган, затем покидает кровоток и образует вторичную опухоль. Так распространяется рак. Он соединил эти факты с еще одним очень важным фактом: селектины захватывают определенный углевод на поверхности лейкоцитов, стволовых и раковых клеток. Доцент Кинг решил захватить стволовые и раковые клетки до того, как их высвободят селектины.
Сбор стволовых клеток
Поскольку стволовые клетки костного мозга прилипают к поверхности селектина сильнее, чем другие клетки, группа Кинга покрыла тонкую пластиковую трубку селектином. Затем они провели серию лабораторных экспериментов на крысах как in vitro, так и in vivo с этой покрытой селектином пробиркой для фильтрации кровотока для стволовых клеток. Это сработало, и King Lab обнаружила, что они могут привлекать большое количество клеток к стенке устройства, покрытого селектином, и что 38% этих захваченных клеток были стволовыми клетками. Кинг представил систему, с помощью которой врачи могли бы удалять стволовые клетки из кровотока, пропуская клетки через устройство, и делать более концентрированную смесь, содержащую, скажем, 20-40% стволовых клеток. Эти стволовые клетки затем могут быть использованы для тканевой инженерии или трансплантации костного мозга.
Это бесспорный способ получения стволовых клеток, которые можно дифференцировать в другие полезные клетки.
Команда Кинга может захватывать значительное количество клеток лимфатической и кровеносной систем и потенциально мезенхимальных стволовых клеток, которые представляют собой неспециализированные клетки, образующие ткани, кости и хрящи. Текущие процедуры обеспечивают специфический захват гемопоэтических стволовых клеток, которые со временем растут (или дифференцируются) во все различные клетки крови, а также специфический захват стволовых клеток, которые дифференцируются в клетки костного мозга. Само устройство использует комбинацию микрофлюидики или свойств текучести и специальных покрытий из селектина.
Убийство раковых клеток
Еще одно захватывающее применение изобретения Кинга – фильтрация крови на наличие раковых клеток и запуск их смерти, инновационный, новый метод предотвращения распространения рака. Когда у кого-то есть первичная раковая опухоль, небольшое количество раковых клеток циркулирует через кровоток. В процессе, называемом метастазированием, эти клетки передаются от первичной опухоли в другие части тела, где образуют вторичные раковые образования.
Когда раковая клетка движется по имплантированной поверхности, устройство Кинга улавливает ее и доставляет сигнал апоптоза – биохимический способ сказать раковой клетке убить себя. Через два дня эта раковая клетка мертва. Нормальные клетки остаются полностью невредимыми, потому что устройство избирательно поражает раковые клетки.
Сигнал апоптоза доставляется молекулой TRAIL, которая покрывает устройство для уничтожения рака. В раковых клетках есть пять типов белков, которые распознают TRAIL и связываются с ним, но только два вызывают гибель клеток. Остальные три называются рецепторами-приманками. Здоровые клетки содержат множество рецепторов-ловушек, что дает им естественную защиту от TRAIL, тогда как раковые клетки в основном экспрессируют два рецептора, которые сигнализируют о гибели клетки.
Во время гибели раковых клеток TRAIL никоим образом не истощается и не расходуется, и фактически он остается активным в течение многих недель или месяцев. Те же молекулы TRAIL могут убить огромное количество раковых клеток.
Возможный способ использования изобретения, убивающего рак, – это имплантировать устройство в тело перед операцией по поводу первичной опухоли или химиотерапией. Когда врачи удаляют первичную опухоль, сама процедура может высвободить раковые клетки в кровоток. Устройство Кинга захватит эти раковые клетки и убьет их, что значительно снизит вероятность метастазирования.
Доцент Кинг предполагает, что в устройстве будет использоваться шунт, аналогичный тому, который используется сегодня в больницах. Этот шунт будет располагаться на внешней стороне руки или имплантирован под кожу. Некоторая часть кровотока будет обходить капиллярное русло и вместо этого попадет в шунт, который может оставаться имплантированным в течение многих недель, непрерывно удаляя и убивая раковые клетки. Первыми мишенями Кинга являются колоректальный рак и злокачественные новообразования крови, такие как лейкемия.
Источник: Школа инженерии и прикладных наук Университета Рочестера