Automatizovaná analýza buněk pro diagnostiku rakoviny

Automatizované, rychlé a enzymatické volné extrahování živých buněk pomocí TissueGrinderu pro vyšetření biopsií. © Fraunhofer IPA

S pomocí TissueGrinderu, automatizované mini-mlýny vyvinuté v institutu Fraunhofer IPA – která je určena pro citlivou buněčnou tkáň – mohou budoucí kliniky analyzovat vzorky buněk pacientů s rakovinou rychle a přesně i bez pomoci vyškoleného patologa. Z toho budou mít prospěch nejen kliniky, ale především pacienti. Pokud je buněčná analýza provedena již během operace a téměř okamžitě jsou zahájeny správné léčebné kroky, pacientům často odpadne nutnost opakované operace.

Během operace rakoviny je potřeba rychle získat přesné informace o odebraném tkáni, aby chirurg mohl lépe naplánovat další kroky. Dosud se vzorek biopsie posílal patológovi, který posuzoval, zda je tkáň zdravá nebo jak daleko se rakovina rozšířila. To zabere hodně času a zdrojů.

Ve spolupráci s Fraunhoferovým ústavem pro výrobní technologie a automatizaci IPA v Mannheimu, Friedrich-Alexanderovou univerzitou Erlangen-Nürnberg a Universitní klinikou Erlangen se vědcům z Max-Planckova institutu pro fyziku světla a Max-Planckova centra pro fyziku a medicínu podařilo díky využití umělé inteligence do značné míry automatizovat buněčnou analýzu a následné hodnocení. Studie týmu kolem Dr. Despiny Soteriou a Dr. Markéty Kubánkové z Max-Planckova centra pro fyziku a medicínu a prof. Jochen Gucka, ředitele Max-Planckova institutu pro fyziku světla, publikovaná v časopise Nature Biomedical Engineering, ukazuje, jak může v budoucnu pomoci „umělý patolog“.

První krok: Rozmělnění tkáně pomocí »TissueGrinder«

V novém postupu lze pomocí TissueGrinderu rychleji získat živé buňky. Přístroj byl vyvinut v Fraunhofer IPA Dr. Jensem Langejürgenem a jeho kolegy a funguje podobně jako koření mlýnek: díky speciálně tvarovaným čepelím, které jsou roztočeny přes mlýnek, jemně rozmělní tkáň, aniž by zničily nebo změnily buňky. „TissueGrinder má obrovský potenciál pro přípravu vzorků v diagnostice rakoviny a dalších lékařských aplikacích, zejména pro diagnostické metody založené na jednotlivých buňkách, které tvoří základ personalizované medicíny,“ říká vedoucí oddělení klinických zdravotnických technologií Jens Langejürgen. Dosud bylo nutné buňky složitě ručně extrahovat nebo pomocí enzymů, které mohou zanechat stopy na povrchu buněk a tím ovlivnit výsledky dalších vyšetření.

Automatizovaná, rychlá a enzymy zdarma extrakce živých buněk pomocí TissueGrinderu výrazně zjednodušuje vyšetření biopsií. „Efektivní příprava vzorků na začátku diagnostického procesu otevírá cestu k nejmodernějším analytickým metodám, jako je například real-time deformability cytometry (RT-DC), nebo metodám založeným na umělé inteligenci, a zároveň zlepšuje kvalitu výsledků analýz,“ vysvětluje Stefan Scheuermann, vědecký pracovník Fraunhofer IPA. „Jsme přesvědčeni, že TissueGrinder bude hrát klíčovou roli při optimalizaci diagnostiky nemocí a umožní rychlejší a přesnější léčbu pacientů.“

Druhý krok: Fyzikální analýza vlastností buněk

V dalším kroku jsou získané jednotlivé buňky analyzovány pomocí real-time deformability cytometry (RT-DC). Jedná se o metodu vyvinutou v laboratoři prof. Jochen Gucka, která umožňuje bez značení analyzovat deformovatelnost buněk, přičemž zkoumá fyzikální vlastnosti až 1000 buněk za sekundu a je 36 tisíckrát rychlejší než starší metody. Stejně jako při lékařském vyšetření poskytuje deformovatelnost buněk důležité informace. Aby bylo možné tyto informace využít, jsou jednotlivé buňky rychle protlačovány mikroskopickým kanálem, kde se pod tlakem a zatížením deformují. Na základě pořízených snímků mohou vědci určit fyzikální vlastnosti, jako je tvar, velikost a deformovatelnost.

Třetí krok: Hodnocení pomocí umělé inteligence

Pro stanovení diagnózy je nutné výsledky fyzikální analýzy vyhodnotit v posledním kroku. Max-Planckovi vědci se podařilo vyvinout model umělé inteligence, který vyhodnocuje složité datové sady z RT-DC analýzy a dokáže následně určit, zda vzorek obsahuje nádorovou tkáň nebo ne. Navíc použití umělé inteligence potvrdilo význam deformovatelnosti buněk jako biomarkeru.

Celý proces od odebrání tkáně po vyhodnocení výsledků trvá méně než 30 minut a může být proveden bez vyškoleného patologa nebo fyzika. Metoda může být rovněž využita k detekci zánětů tkání v modelu zánětlivých střevních onemocnění (IBD).

Dalším cílem vědců je zjistit, jak nejlépe využít automatizovanou buněčnou analýzu v klinickém prostředí, aby podpořila a doplnila klasickou patologickou analýzu.