Automatische celanalyse voor kankerdiagnostiek

De geautomatiseerde, snelle en enzymvrije extractie van levende cellen met de TissueGrinder voor het onderzoek van biopsieproeven. © Fraunhofer IPA

Met behulp van de TissueGrinder, ontwikkeld aan het Fraunhofer IPA – een geautomatiseerde mini-molen voor kwetsbaar weefsel – kunnen klinieken in de toekomst ook zonder hulp van een opgeleide patholoog snel en nauwkeurig de cellen van kankerpatiënten analyseren. Hier zullen niet alleen de klinieken van profiteren, maar vooral ook de patiënten. Wanneer de celsanalyse al tijdens een operatie wordt uitgevoerd en vrijwel onmiddellijk de juiste behandelingsstappen worden ingezet, blijft de patiënt vaak een nieuwe operatie bespaard.

Tijdens een kankeroperatie zijn snel nauwkeurige informatie over het verwijderde weefsel nodig om de chirurg bij zijn volgende stappen te ondersteunen. Tot nu toe werd een biopt naar een patholoog gestuurd, die beoordeelt of het weefsel gezond is of hoe ver de kanker zich heeft verspreid. Dit kost veel tijd en middelen.

In samenwerking met het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Mannheim, de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en het Universitair Klinikum Erlangen is het wetenschappers van het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts en het Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin gelukt om de celsanalyse en de daaropvolgende beoordeling grotendeels te automatiseren door gebruik te maken van Kunstmatige Intelligentie. De in Nature Biomedical Engineering gepubliceerde studie van het team onder leiding van Dr. Despina Soteriou en Dr. Markéta Kubánková van het Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin en Prof. Jochen Guck, directeur aan het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, laat zien hoe een »kunstmatige patholoog« hier in de toekomst kan helpen.

Eerste stap: Weefsel verkleinen met de »TissueGrinder«

Met de nieuwe methode kunnen levende cellen sneller worden verkregen met behulp van de TissueGrinder. Het apparaat is ontwikkeld aan het Fraunhofer IPA door Dr. Jens Langejürgen en zijn collega’s en werkt vergelijkbaar met een kruidenmolen: dankzij speciaal gevormde messen die via een roterend maalwerk worden bewogen, wordt het weefsel voorzichtig verkleind zonder cellen te vernietigen of te veranderen. »De TissueGrinder heeft een enorm potentieel voor de voorbereiding van monsters in de kankerdiagnostiek en andere medische toepassingen, vooral voor diagnostische analysemethoden die op enkele cellen gebaseerd zijn en de basis vormen voor gepersonaliseerde geneeskunde«, aldus Jens Langejürgen, hoofd van de afdeling Klinische Gezondheidstechnologieën. Tot nu toe moesten de cellen handmatig worden uitgehaald of met enzymen worden losgemaakt, die op hun beurt sporen op het celoppervlak kunnen achterlaten en daarmee de resultaten van verdere onderzoeken kunnen beïnvloeden.

De geautomatiseerde, snelle en enzymvrije extractie van levende cellen met de TissueGrinder vereenvoudigt dus aanzienlijk het onderzoek van bioptmonsters. »De efficiënte voorbereiding van monsters aan het begin van het diagnostische proces effent de weg voor geavanceerde analysemethoden zoals de realtime-vervormbaarheidscytometrie (RT-DC) of methoden op basis van Kunstmatige Intelligentie en verbetert bovendien de kwaliteit van de analysemethoden. We zijn ervan overtuigd dat de TissueGrinder een centrale rol zal spelen bij het optimaliseren van de diagnose van ziekten en daarmee een snellere en nauwkeurigere behandeling van patiënten mogelijk maakt«, legt Stefan Scheuermann, wetenschappelijk medewerker aan het Fraunhofer IPA, uit.

tweede stap: fysieke analyse van de cel-eigenschappen

In de volgende stap worden de verkregen individuele cellen geanalyseerd met de realtime-vervormbaarheidscytometrie (RT-DC). Dit is een in het laboratorium door Prof. Jochen Guck ontwikkelde methode zonder markers voor de analyse van de celvervormbaarheid, die de fysische eigenschappen van tot 1000 cellen per seconde analyseert en 36.000 keer sneller is dan oudere methoden. Net als bij een medische controle levert de vervormbaarheid van cellen belangrijke informatie. Om deze te benutten, worden individuele cellen met hoge snelheid door een microscopisch kanaal geschoven, waar ze onder druk en belasting vervormen. Aan de hand van de beelden die daarbij worden gemaakt, kunnen wetenschappers fysische eigenschappen zoals vorm, grootte en vervormbaarheid bepalen.

Derde stap: beoordeling door Kunstmatige Intelligentie

Om een diagnose te kunnen stellen, moeten de resultaten van de fysieke analyse in een laatste stap worden beoordeeld. De wetenschappers van het Max-Planck-Institut zijn erin geslaagd een KI-model te ontwikkelen dat de complexe datasets van de RT-DC-analyse evalueert en vervolgens kan aangeven of een monster tumorgroei bevat of niet. Daarnaast heeft het gebruik van Kunstmatige Intelligentie de betekenis van celvervormbaarheid als biomarker bevestigd.

Het hele proces van de weefselmonster tot de beoordeling van de resultaten duurt minder dan 30 minuten en kan zonder opgeleide patholoog of fysicus worden uitgevoerd. Bovendien kan de methode ook worden ingezet om weefselontstekingen aan te tonen in een model voor inflammatoire darmziekten (IBD).

Het volgende doel van de wetenschappers is uit te zoeken hoe de geautomatiseerde celsanalyse het beste in klinieken kan worden toegepast om de klassieke pathologische analyse te ondersteunen en aan te vullen.