斯坦福大學和佐治亞理工學院的工程師創(chuàng)造了一種小型自主設備，該設備具有可拉伸/柔性傳感器，可以粘附在荷癌小鼠的皮膚上，以測量腫瘤大小的變化。該團隊聲稱，非侵入性，電池供電的FAST(柔性自主傳感器測量腫瘤)設備對10微米敏感，并且可以實時無線將結(jié)果發(fā)送到智能手機應用程序。
在他們發(fā)表在《科學進展》上的論文中，研究小組描述了體內(nèi)小鼠癌癥模型的測試，該模型表明，傳感器可以在治療開始后的幾個小時內(nèi)識別使用活性藥物治療的動物和載體治療的動物之間的腫瘤體積動力學差異。
研究人員認為，F(xiàn)AST設備代表了一種全新的，快速，廉價，免提和準確的方法來測試臨床前模型中癌癥藥物的功效。他們還表示，與其他常見的腫瘤測量工具(如卡尺，植入式壓力傳感器和成像)相比，該傳感器具有許多優(yōu)勢。他們認為，在更廣泛的范圍內(nèi)，傳感器可能指向癌癥治療的新方向。
Alex Abramson博士是研究人員報告的第一作者，并在斯坦福大學工程學院通訊作者Zhenan Bao博士的實驗室進行博士后時進行了這項工作。艾布拉姆森現(xiàn)在是佐治亞理工學院化學和生物分子工程助理教授。
艾布拉姆森向GEN解釋說：“我們對體內(nèi)藥物篩選過程完全自動化的前景感到興奮。這將有望允許以這種方式測試比以前更多的藥物，并且它將能夠收集癌癥候選藥物的大量體內(nèi)數(shù)據(jù)集。此外，我們希望我們的傳感器能夠闡明體內(nèi)藥物藥效學的新模式，這些模式發(fā)生在以前無法測量的時間尺度上。該傳感器將提供短期腫瘤消退的快速反饋，并且該數(shù)據(jù)可以與藥物對長期腫瘤消退的影響相關(guān)聯(lián)。
Abramson，Bao及其同事在一篇題為“用于實時監(jiān)測腫瘤消退的柔性電子應變傳感器”的論文中描述了他們的發(fā)展。
每年，研究人員都會在患有皮下腫瘤的小鼠身上測試數(shù)千種潛在的抗癌藥物。很少有藥物能進入人類患者，而且尋找新療法的過程很慢，部分原因是一些用于測量藥物治療導致的腫瘤消退的技術(shù)可能需要數(shù)周才能讀出反應。“研究人員通常通過比較治療和未治療對照的多次重復之間的腫瘤體積回歸來讀出體內(nèi)模型，”作者解釋說。
“在某些情況下，必須用卡尺手工測量所觀察的腫瘤，”艾布拉姆森指出。然而，使用金屬鉗狀卡尺來測量軟組織并不理想，放射學方法無法提供實時評估所需的連續(xù)數(shù)據(jù)?？茖W家們在他們的論文中進一步評論說：“......固有的生物學變異與低分辨率測量工具和小樣本量相結(jié)合，使得確定藥物在體內(nèi)的療效成為一項困難的勞動密集型任務。準確確定治療反應對于臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，自動化體內(nèi)腫瘤回歸測量的工具可以通過在更大的動物隊列中收集高分辨率連續(xù)數(shù)據(jù)集來促進這一過程。
他們指出，數(shù)據(jù)質(zhì)量的進步和減少的手動任務可以帶來更準確的實驗結(jié)果，并能夠開發(fā)自動化、高通量體內(nèi)藥物測試的方法。“我們注意到，目前用于跟蹤腫瘤消退的方法昂貴，繁瑣，并且僅拍攝快照而不是連續(xù)測量腫瘤體積變化。有了這個傳感器，我們希望完全自動化腫瘤消退測量的過程，“艾布拉姆森對GEN評論道。
FAST傳感器已被開發(fā)為一種商業(yè)可擴展的可穿戴電子應變傳感器，開發(fā)人員表明，它可以在分鐘時間尺度上連續(xù)監(jiān)測皮下植入腫瘤體積的微米級變化。這與卡尺和生物發(fā)光測量形成鮮明對比，后者可能需要長達數(shù)周的觀察期才能讀出腫瘤大小的變化。該傳感器由柔性和可拉伸的皮膚狀聚合物組成，其中包括嵌入的金電路層，連接到由前博士后和合著者Yasser Khan博士和Naoji Matsuhisa博士設計的小型電子背包。該設備測量膜上的應變 - 拉伸或收縮的程度 - 并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C。
FAST的傳感器由柔性和可拉伸的皮膚狀聚合物組成，其中包括嵌入的金電路層。[Alex Abramson，斯坦福大學鮑組]
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對于傳感器本身，我們開發(fā)了一種應變傳感器，它不會對腫瘤環(huán)境施加任何額外的壓力，并且對細胞水平的分辨率也很敏感，“Abramson進一步向GEN解釋道。“柔軟的SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)基板與超薄導電金層相結(jié)合，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性。
使用FAST背包，可以快速而自信地快速跟蹤與腫瘤大小回歸相關(guān)的潛在療法以進行進一步研究，或者將其排除為無效。在他們報告的對兩只活小鼠皮下腫瘤模型的測試中，研究人員證明，傳感器在時間和空間上的高分辨率使其能夠在治療開始后的短短五小時內(nèi)辨別初始治療效果。傳感器還可以在一次電池充電后連續(xù)讀取>24小時。
該團隊表示，新設備至少展示了三項重大進展。首先，它提供連續(xù)監(jiān)測，因為傳感器物理連接到鼠標并在整個實驗期間保持原位。其次，柔性傳感器籠罩著腫瘤，因此能夠測量使用其他方法難以辨別的形狀變化。第三個好處是FAST既自主又非侵入性。它連接到皮膚 - 與創(chuàng)可貼不同 - 電池供電，無線連接。鼠標可以自由移動，不受設備或電線的阻礙，科學家不需要在傳感器放置后主動處理鼠標。FAST 包也是可重復使用的，組裝成本僅為 60 美元左右，并且可以在幾分鐘內(nèi)連接到鼠標上。
突破在于FAST的柔性電子材料。涂在皮膚狀聚合物上的是一層金，當拉伸時，會產(chǎn)生小裂縫，從而改變材料的導電性。拉伸材料，裂紋數(shù)量增加，導致傳感器中的電子電阻也增加。當材料收縮時，裂紋重新接觸，導電性提高。
Abramson和共同作者，東京大學副教授Naoji Matsuhisa博士都描述了這些裂紋擴展和電導率的指數(shù)變化如何在數(shù)學上等同于尺寸和體積的變化。
研究人員還必須考慮傳感器本身是否會通過對腫瘤施加過度壓力來影響測量，從而有效地擠壓它。為了規(guī)避這種風險，他們小心翼翼地將柔性材料的機械性能與皮膚相匹配，使傳感器像真實皮膚一樣柔韌和柔軟。
“這是一個看似簡單的設計，”艾布拉姆森說，“但這些固有的優(yōu)勢應該對制藥和腫瘤學界非常感興趣。FAST可以顯著加快，自動化和降低癌癥治療篩查過程的成本。
他補充說：“根據(jù)我們在論文中概述的程序，這種傳感器目前可以在世界各地的任何實驗室以~60美元的價格生產(chǎn)。我們希望科學家們能夠立即開始使用我們的傳感器進行利用皮下植入腫瘤的實驗......我們?nèi)栽谂?chuàng)建傳感器的植入式版本，該傳感器需要測量體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的許多不在皮膚上或附近的腫瘤......我們正在為植入式傳感器研究的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種標準化的外科手術(shù)來執(zhí)行植入。此外，我們正在努力使電子元件小型化，使傳感器的植入式版本侵入性更小。
該團隊強調(diào)，該傳感器“專為臨床前藥物篩選試驗而設計，任何將傳感器轉(zhuǎn)化為人類的努力都應該考慮與將傳感器放置在給定腫瘤位置相關(guān)的手術(shù)影響。注意到該技術(shù)的其他潛在局限性，作者得出結(jié)論：“盡管存在這些局限性，但該傳感器連續(xù)，自主和準確記錄腫瘤體積消退的能力表明，該方法可以取代目前在體內(nèi)臨床前試驗中使用的腫瘤消退測量技術(shù)，為高通量體內(nèi)藥物發(fā)現(xiàn)篩選和基礎癌癥研究開辟了新的途徑，利用傳感器的 與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)集。
艾布拉姆森建議，這項技術(shù)還可以提供新的見解，可以改善現(xiàn)有的藥物治療方案。“通過探索體內(nèi)短期藥物藥效學，我們希望深入了解導致腫瘤更快消退的給藥方案。
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