Automatyczna analiza komórek dla diagnostyki nowotworów

Automatisierte, schnelle und enzymfreie Extraktion lebender Zellen mit dem TissueGrinder für die Untersuchung von Biopsieproben. © Fraunhofer IPA

Za pomocą TissueGrinder opracowanego w Fraunhofer IPA – zautomatyzowanej miniaturowej młynówki do delikatnych tkanek komórkowych – przyszłe kliniki będą mogły również bez pomocy wykwalifikowanego patologa szybko i precyzyjnie analizować próbki komórkowe pacjentów z nowotworami. Oprócz klinik, z tego będą korzystać przede wszystkim pacjenci. Jeśli analiza komórek zostanie przeprowadzona już podczas operacji i niemal natychmiast zostaną podjęte odpowiednie kroki leczenia, często można uniknąć ponownej operacji.

Podczas operacji nowotworowej potrzebne są szybkie i dokładne informacje o pobranym materiale, aby wspomóc chirurga w kolejnych krokach. Dotychczas próbkę biopsji wysyła się do patologa, który ocenia, czy tkanka jest zdrowa lub jak bardzo nowotwór się rozprzestrzenił. To zajmuje dużo czasu i zasobów.

We współpracy z Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA w Mannheim, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg oraz Uniwersyteckim Szpitalem w Erlangen, naukowcom z Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts i Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin udało się zautomatyzować w dużym stopniu analizę komórek i ich ocenę za pomocą sztucznej inteligencji. Badanie opublikowane w „Nature Biomedical Engineering” przez zespół pod kierownictwem dr Despiny Soteriou i dr Markéty Kubánkové z Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin oraz prof. Jochen Guck, dyrektora Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, pokazuje, jak w przyszłości może pomóc „sztuczny patolog”.

Pierwszy krok: rozdrabnianie tkanek za pomocą »TissueGrinder«

W nowej metodzie dzięki TissueGrinder można szybciej uzyskać żywe komórki. Urządzenie zostało opracowane w Fraunhofer IPA przez dr. Jens Langejürgena i jego kolegów i działa podobnie jak młynek do przypraw: dzięki specjalnie uformowanym ostrzom, które są napędzane obrotowym mechanizmem mielącym, delikatnie rozdrabnia tkankę, nie niszcząc ani nie zmieniając komórek. »TissueGrinder ma ogromny potencjał w przygotowaniu próbek do diagnostyki nowotworów i innych zastosowań medycznych, szczególnie w diagnostyce opierającej się na pojedynczych komórkach, które stanowią podstawę spersonalizowanej medycyny«, mówi kierownik działu Kliniczne technologie zdrowotne Jens Langejürgen. Dotychczas komórki trzeba było starannie wyodrębniać ręcznie lub za pomocą enzymów, które mogą pozostawiać ślady na powierzchni komórek i wpływać na wyniki dalszych badań.

Zautomatyzowane, szybkie i bezenzymowe wyodrębnianie żywych komórek za pomocą TissueGrinder znacznie upraszcza badanie próbek biopsji. »Efektywne przygotowanie próbek na początku procesu diagnostycznego otwiera drogę do najnowocześniejszych metod analitycznych, takich jak real-time deformability cytometry (RT-DC) czy techniki oparte na sztucznej inteligencji, a także poprawia jakość wyników analiz«, wyjaśnia Stefan Scheuermann, naukowiec z Fraunhofer IPA.

Drugi krok: fizyczna analiza właściwości komórek

W kolejnym kroku uzyskane pojedyncze komórki są analizowane za pomocą real-time deformability cytometry (RT-DC). To bezbarwna metoda opracowana w laboratorium przez prof. Jochen Gucka, pozwalająca na analizę deformowalności komórek, która bada właściwości fizyczne do 1000 komórek na sekundę i jest 36 tysięcy razy szybsza od starszych metod. Podobnie jak podczas badania lekarskiego, deformowalność komórek dostarcza ważnych informacji. Aby je wykorzystać, pojedyncze komórki są szybko przesuwane przez mikroskopowy kanał, gdzie pod wpływem ciśnienia i obciążenia ulegają deformacji. Na podstawie zdjęć, które są w tym czasie robione, naukowcy mogą określić właściwości fizyczne, takie jak kształt, rozmiar i deformowalność.

Trzeci krok: ocena za pomocą sztucznej inteligencji

Aby postawić diagnozę, wyniki analizy fizycznej muszą zostać ocenione w ostatnim kroku. Naukowcom z Max-Planck udało się opracować model sztucznej inteligencji, który analizuje złożone zestawy danych z RT-DC i potrafi ocenić, czy próbka zawiera tkankę nowotworową, czy nie. Ponadto, zastosowanie sztucznej inteligencji potwierdziło znaczenie deformowalności komórek jako biomarkeru.

Cały proces od pobrania próbki do oceny wyników trwa mniej niż 30 minut i może być przeprowadzony bez wykwalifikowanego patologa lub fizyka. Metoda ta może być także używana do wykrywania stanów zapalnych tkanek w modelu chorób zapalnych jelit (IBD).

Następnym celem naukowców jest ustalenie, jak najlepiej zastosować zautomatyzowaną analizę komórek w klinikach, aby wspierać i uzupełniać klasyczną analizę patologiczną.