Znajdź zawartość

Dobór trafnej metody leczenia dla pacjentów od lat stanowi jedno z największych wyzwań onkologii. Wynalazek opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Monachium może jednak pomóc lekarzom w ustaleniu optymalnej formy terapii nowotworu. Prototypowe urządzenie jest kolejnym przykładem układu typu lab on a chip mogącego znaleźć zastosowanie w medycynie. Jego zadaniem jest kompleksowa ocena skuteczności wielu kombinacji chemoterapeutyków stosowanych równolegle w celu zniszczenia komórek nowotworowych pacjenta hodowanych w warunkach in vitro. Sercem zaprojektowanego układu jest inkubator zapewniający komórkom warunki zbliżone do tych występujących we wnętrzu nowotworu. W jego wnętrzu znajduje się płytka hodowlana podzielona na 24 osobne naczynia, w których umieszcza się komórki pobranych od pacjenta. Każde z tych naczynek staje się tym samym osobną probówką, w której przeprowadza się oddzielny pomiar skuteczności leków. Po trafieniu do inkubatora analizowanym komórkom pozwala się "oswoić" z nowym środowiskiem, po czym do otaczającej je pożywki dodaje się testowane substancje. Od tego momentu zawartość płytek jest regularnie testowana m.in. dzięki miernikom pH i zużycia tlenu oraz mikroskopowi, który wykonuje serię zdjęć w zaplanowanych odstępach czasu. Wszystkie te dane spływają następnie do komputera, który ustala, z jaką skutecznością każdy z leków (bądź ich kombinacje) niszczy komórki nowotworowe pacjenta. Automatyzacja diagnostyki pozwala na znaczne skrócenie czasu potrzebnego na przeprowadzenie testów, zaś możliwość przeprowadzenia wielu eksperymentów jednocześnie zwiększa prawdopodobieństwo wybrania optymalnej formy leczenia dla konkretnego pacjenta. Jest to niezwykle ważne, gdyż w idealnej sytuacji każdy przypadek nowotworu powinien być traktowany jak choroba unikalna i w taki sam sposób leczony. Podejście takie zapewnia nie tylko zwiększenie szansy na całkowite wyleczenie choroby, lecz także na obniżenie toksyczności zastosowanej terapii.

Czynność pozornie banalna, jaką jest mieszanie cieczy, staje się nadspodziewanie trudna, gdy w grę wchodzi manipulowanie bardzo małymi objętościami płynów. Naukowcy z amerykańskiej organizacji Sandia National Laboratories (SNL) znaleźli jednak sposób na rozwiązanie tego problemu. Jest nim (znacznie) ulepszona wersja tradycyjnego mieszadła magnetycznego. Mieszanie małych objętości cieczy jest niezwykle trudne z uwagi na siły kapilarne, czyli zjawiska towarzyszące przebywaniu w bardzo ciasnych naczyniach, a więc np. w wąskiej rurce. Niektóre substancje (należy do nich najważniejszy z rozpuszczalników, czyli woda) znajdujące się w takim otoczeniu przylegają do ścian naczynia tak silnie, że niemal niemożliwe jest ich oderwanie od powierzchni i wymuszenie na nich mieszania się z innymi płynami. Sprawia to, że przygotowanie bardzo małych objętości mieszanin, takich jak te stosowane np. w biologii molekularnej czy układach typu lab on a chip, jest nie lada sztuką. Naukowcy z SNL znaleźli na szczęście sposób na pokonanie niedogodności związanych ze zjawiskami kapilarnymi. Zaproponowali oni wykorzystanie zaawansowanej wersji mieszadła magnetycznego - urządzenia, które w swojej klasycznej formie składa się z podstawki zawierającej wirujący magnes oraz pręciku żelaznego umieszczanego w naczyniu, które stawia się następnie na podstawce. Powstające pole magnetyczne wprawia w ruch pręcik, który z kolei zmusza ciecze znajdujące się do zmieszania się ze sobą. Najprostszy rodzaj mieszadła magnetycznego jest prosty w budowie i skuteczny, lecz nie nadaje się do mieszania cieczy o bardzo małej objętości. Właśnie dlatego badacze z SNL zmodyfikowali to urządzenie i znacznie zmienili orientację przestrzenną wirującego pola magnetycznego, którego linie w nowej wersji aparatu przypominają linie narysowane wzdłuż boków wirującebo bąka wytrąconego z równowagi. Zmieniono także same pręciki, które są nie tylko mniejsze (ich średnica to zaledwie 100 nm), lecz także umieszcza się ich w naczyniu znacznie więcej. Umiejętne kontrolowanie pola magnetycznego sprawia, że pręciki wewnątrz naczynia ustawiają się w wiele wirujących kręgów, których liczbę i szybkość obrotów można dodatkowo zmieniać dzięki manipulowaniu nie tylko szybkością obracania się magnesów, lecz także samej siły wytwarzanego przez nie pola. Dla porównania, w zwykłym mieszadle zwiększenie natężenia pola magnetycznego w żaden sposób nie wpłynęłoby na szybkość mieszania się cieczy, jest ona bowiem zależna wyłącznie od szybkości obrotów magnesu. Kto by pomyślał, że proste mieszanie cieczy może wywołać tyle zamieszania...

Miniaturowe "laboratorium na szkiełku" (ang. lab-on-a-chip) ma szansę stać się istotnym wsparciem techniki zapłodnienia in vitro. O opracowaniu urządzenia informują naukowcy z MIT i Fertility Laboratories of Colorado. Zdaniem badaczy nowa metoda jest szybsza, prostsza w wykonaniu i bardziej niezawodna od stosowanych obecnie technik oceny jakości płodów przeznaczonych do implantacji w ciele przyszłej matki. Polega na zastosowaniu układu złożonego z kanalików wydrążonych w specjalnie przygotowanej płytce oraz układu optycznego odpowiedzialnego za wykonanie niezbędnych analiz. Dzięki nowej technologii możliwy jest precyzyjny pomiar zużycia podstawowych źródeł energii przez zarodek, co pozwala na dokładne określenie jego aktywności metabolicznej. W celu uzyskania materiału do badania embriony są hodowane w mikrolitrowej (1/1000 mililitra) kropli pożywki (medium). Następnie, za pomocą automatycznej pipety, pobiera się 2-3 nanolitry (1 nanolitr to 1/1000 mikrolitra, czyli 1/1 000 000 mililitra) cieczy i przenosi ją na szkiełko. Kolejnym etapem jest dodanie mieszaniny enzymów rozkładających podstawowe substancje odżywcze rozpuszczone w medium. Po określonym czasie następuje odczyt stężenia dwóch substancji, NADP i NADPH. Wzajemny stosunek ich koncentracji jest miarą zużycia substancji energetycznych przez komórki. Wyprodukowane urządzenie, w którym następuje dodanie obu próbek, ich zmieszanie i przeprowadzenie reakcji, zmieściłoby się na powierzchni znaczka pocztowego. Do odczytu stężenia NADP i NADPH używany jest zestaw złożony z lampy UV, mikroskopu oraz światłoczułej matrycy CCD, znanej m.in. z aparatów fotograficznych, służacej jako detektor wytwarzanego światła. Każda z wykrywanych substancji wytwarza po oświetleniu światłem ultrafioletowym falę o innej częstotliwości, co pozwala na pomiar stosunku ich koncentracji. Cały proces jest całkowicie zautomatyzowany, a udział człowieka ogranicza się do zanurzenia końcówki pipety w kropli pożywki. Autorzy metody wierzą, że pozwoli ona na podniesienie skuteczności zabiegów zapłodnienia in vitro oraz obniżenie ich kosztów. Obecnie procedura ta, przeprowadzana w Polsce kilka tysięcy razy rocznie, kończy się powodzeniem zaledwie przy co trzeciej próbie. Aby zniwelować ten problem, często wszczepia się do macicy kilka embrionów, lecz grozi to rozwojem niechcianej ciąży mnogiej. Z tego powodu lekarze są zgodni, że potrzebna jest skuteczna metoda selekcji zarodków dających największe prawdopodobieństwo powodzenia zabiegu. Czy opracowane "laboratorium na szkiełku" znajdzie zastosowanie w laboratoriach zajmujących się tym zagadnieniem, przekonamy się najprawdopodobniej w ciągu kilku lat.