Přenosné zařízení sleduje jednotlivé buňky v krevním řečišti v reálném čase

Vědci z MIT vyvinuli neinvazivní monitorovací zařízení, které je dostatečně výkonné k detekci jednotlivých buněk v krevních cévách, a přitom dostatečně malé na to, aby se nosilo jako náramek. Důležitým aspektem tohoto nositelného zařízení je schopnost nepřetržitého monitorování cirkulujících buněk v lidském těle.

Technologie byla představena online 3. března časopisem npj Biosensing a brzy vyjde i v tištěné verzi.

Zařízení – nazvané CircTrek – vyvinuli výzkumníci z výzkumné skupiny Nano-Cybernetic Biotrek pod vedením Debliny Sarkarové, asistentky profesorky na MIT a držitelky ceny AT&T Career Development Chair na MIT Media Lab. Tato technologie by mohla výrazně usnadnit včasnou diagnostiku onemocnění, detekci relapsu onemocnění, posouzení rizika infekce a určení, zda léčba onemocnění funguje, a to mezi mnoha dalšími lékařskými procesy.

Zatímco tradiční krevní testy jsou jako snímek stavu pacienta, CircTrek byl navržen tak, aby poskytoval hodnocení v reálném čase, což je v článku v npj Biosensing označeno jako „dosud nenaplněný cíl“. Jiná technologie, která nabízí monitorování buněk v krevním řečišti s určitou kontinuální in vivo průtokovou cytometrií, „vyžaduje mikroskop o velikosti místnosti a pacienti tam musí být po dlouhou dobu,“ říká Kyuho Jang, doktorand v Sarkarově laboratoři.

CircTrek na druhé straně, který je vybaven integrovaným modulem Wi-Fi, by mohl monitorovat cirkulující buňky pacienta i doma a tyto informace odesílat lékaři nebo ošetřujícímu týmu pacienta.

„CircTrek nabízí cestu k využití dříve nepřístupných informací, umožňuje včasné léčby a podporuje přesná klinická rozhodnutí s daty v reálném čase,“ říká Sarkarová. „Existující technologie poskytují monitorování, které není nepřetržité, což může vést k vynechání kritických léčebných oken. Tuto výzvu překonáváme s CircTrekem.“

Zařízení funguje tak, že směruje zaostřený laserový paprsek k stimulaci buněk pod kůží, které byly fluorescenčně značeny. Toto značení lze provést několika metodami, včetně aplikace protilátkových fluorescenčních barviv na buňky, o které je zájem, nebo genetické modifikace těchto buněk tak, aby exprimovaly fluorescenční proteiny.

Například pacient podstupující terapii CAR T buňkami, při které se imunitní buňky sbírají a modifikují v laboratoři, aby bojovaly proti rakovině (nebo experimentálně proti HIV nebo Covid-19), by mohl mít tyto buňky současně značeny fluorescenčními barvivy nebo genovou modifikací tak, aby exprimovaly fluorescenční proteiny. Důležité je, že buňky, o které je zájem, lze také označit pomocí metod značení in vivo schválených u lidí. Jakmile jsou buňky označeny a cirkulují v krevním řečišti, CircTrek je navržen tak, aby aplikoval laserové impulzy k zesílení a detekci fluorescenčního signálu buněk, zatímco uspořádání filtrů minimalizuje nízkofrekvenční šum, jako je tlukot srdce.

„Optimalizovali jsme optomechanické části, abychom výrazně snížili šum a zachytili pouze signál z fluorescenčních buněk,“ říká Jang.

Detekcí označených CAR T buněk by CircTrek mohl posoudit, zda léčba buněčnou terapií funguje. Perzistence CAR T buněk v krvi po léčbě je například spojena s lepšími výsledky u pacientů s B-buněčným lymfomem.

Aby byl CircTrek malý a nositelný, podařilo se výzkumníkům zmenšit součásti zařízení, jako je obvod, který řídí zdroj vysoce intenzivního laseru a udržuje stabilní úroveň výkonu laseru, aby se předešlo falešným odečtům.

Senzor, který detekuje fluorescenční signály označených buněk, je také miniaturní, a přesto je schopen detekovat množství světla odpovídající jedinému fotonu, říká Jang.

Subobvody zařízení, včetně ovladače laseru a filtrů šumu, byly navrženy na míru tak, aby se vešly na desku plošných spojů o rozměrech pouhých 42 mm x 35 mm, což umožňuje, aby CircTrek byl přibližně stejné velikosti jako chytré hodinky.

CircTrek byl testován v konfiguraci in vitro, která simulovala průtok krve pod lidskou kůží, a jeho schopnosti detekce jednotlivých buněk byly ověřeny ručním počítáním pomocí vysoce rozlišovacího konfokálního mikroskopu. Pro testování in vitro bylo použito fluorescenční barvivo nazvané Cyanine5.5. Toto konkrétní barvivo bylo vybráno proto, že dosahuje vrcholné aktivace při vlnových délkách v optickém okně kožní tkáně, tedy v rozsahu vlnových délek, které mohou proniknout kůží s minimálním rozptylem.

Byla také zkoumána bezpečnost zařízení, zejména zvýšení teploty na experimentální kožní tkáni způsobené laserem. Zvýšení o 1,51 stupně Celsia na povrchu kůže bylo určeno jako výrazně pod ohřevem, který by poškodil tkáň, s dostatečnou rezervou, že by bylo možné bezpečně povolit i zvýšení plochy detekce zařízení a jeho výkonu, aby se zajistilo pozorování alespoň jedné krevní cévy.

Ačkoli klinická translace CircTreku bude vyžadovat další kroky, Jang říká, že jeho parametry lze upravit, aby se rozšířil jeho potenciál, takže lékaři by mohli získat kritické informace o téměř každém pacientovi.