可穿戴可伸縮傳感器測(cè)量小鼠腫瘤大小的變化

斯坦福大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的工程師創(chuàng)造了一種小型自主設(shè)備，該設(shè)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(cè)量腫瘤大小的變化。該團(tuán)隊(duì)聲稱，非侵入性，電池供電的FAST(柔性自主傳感器測(cè)量腫瘤)設(shè)備對(duì)10微米敏感，并且可以實(shí)時(shí)無線將結(jié)果發(fā)送到智能手機(jī)應(yīng)用程序。

在他們發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的論文中，研究小組描述了體內(nèi)小鼠癌癥模型的測(cè)試，該模型表明，傳感器可以在治療開始后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)識(shí)別使用活性藥物治療的動(dòng)物和載體治療的動(dòng)物之間的腫瘤體積動(dòng)力學(xué)差異。

研究人員認(rèn)為，F(xiàn)AST設(shè)備代表了一種全新的，快速，廉價(jià)，免提和準(zhǔn)確的方法來測(cè)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(cè)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(shì)。他們認(rèn)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(bào)告的第一作者，并在斯坦福大學(xué)工程學(xué)院通訊作者Zhenan Bao博士的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后時(shí)進(jìn)行了這項(xiàng)工作。艾布拉姆森現(xiàn)在是佐治亞理工學(xué)院化學(xué)和生物分子工程助理教授。

艾布拉姆森向GEN解釋說：“我們對(duì)體內(nèi)藥物篩選過程完全自動(dòng)化的前景感到興奮。這將有望允許以這種方式測(cè)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(xué)的新模式，這些模式發(fā)生在以前無法測(cè)量的時(shí)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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤消退的柔性電子應(yīng)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(huì)在患有皮下腫瘤的小鼠身上測(cè)試數(shù)千種潛在的抗癌藥物。很少有藥物能進(jìn)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(cè)量藥物治療導(dǎo)致的腫瘤消退的技術(shù)可能需要數(shù)周才能讀出反應(yīng)。“研究人員通常通過比較治療和未治療對(duì)照的多次重復(fù)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(cè)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(cè)量軟組織并不理想，放射學(xué)方法無法提供實(shí)時(shí)評(píng)估所需的連續(xù)數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家們?cè)谒麄兊恼撐闹羞M(jìn)一步評(píng)論說：“......固有的生物學(xué)變異與低分辨率測(cè)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(xiàng)困難的勞動(dòng)密集型任務(wù)。準(zhǔn)確確定治療反應(yīng)對(duì)于臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，自動(dòng)化體內(nèi)腫瘤回歸測(cè)量的工具可以通過在更大的動(dòng)物隊(duì)列中收集高分辨率連續(xù)數(shù)據(jù)集來促進(jìn)這一過程。

他們指出，數(shù)據(jù)質(zhì)量的進(jìn)步和減少的手動(dòng)任務(wù)可以帶來更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并能夠開發(fā)自動(dòng)化、高通量體內(nèi)藥物測(cè)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(cè)量腫瘤體積變化。有了這個(gè)傳感器，我們希望完全自動(dòng)化腫瘤消退測(cè)量的過程，“艾布拉姆森對(duì)GEN評(píng)論道。

FAST傳感器已被開發(fā)為一種商業(yè)可擴(kuò)展的可穿戴電子應(yīng)變傳感器，開發(fā)人員表明，它可以在分鐘時(shí)間尺度上連續(xù)監(jiān)測(cè)皮下植入腫瘤體積的微米級(jí)變化。這與卡尺和生物發(fā)光測(cè)量形成鮮明對(duì)比，后者可能需要長達(dá)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(shè)計(jì)的小型電子背包。該設(shè)備測(cè)量膜上的應(yīng)變 - 拉伸或收縮的程度 - 并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。

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(xué)鮑組]

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對(duì)于傳感器本身，我們開發(fā)了一種應(yīng)變傳感器，它不會(huì)對(duì)腫瘤環(huán)境施加任何額外的壓力，并且對(duì)細(xì)胞水平的分辨率也很敏感，“Abramson進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行進(jìn)一步研究，或者將其排除為無效。在他們報(bào)告的對(duì)兩只活小鼠皮下腫瘤模型的測(cè)試中，研究人員證明，傳感器在時(shí)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(shí)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(shí)。

該團(tuán)隊(duì)表示，新設(shè)備至少展示了三項(xiàng)重大進(jìn)展。首先，它提供連續(xù)監(jiān)測(cè)，因?yàn)閭鞲衅魑锢磉B接到鼠標(biāo)并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間保持原位。其次，柔性傳感器籠罩著腫瘤，因此能夠測(cè)量使用其他方法難以辨別的形狀變化。第三個(gè)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(biāo)可以自由移動(dòng)，不受設(shè)備或電線的阻礙，科學(xué)家不需要在傳感器放置后主動(dòng)處理鼠標(biāo)。FAST 包也是可重復(fù)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(biāo)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(dāng)拉伸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生小裂縫，從而改變材料的導(dǎo)電性。拉伸材料，裂紋數(shù)量增加，導(dǎo)致傳感器中的電子電阻也增加。當(dāng)材料收縮時(shí)，裂紋重新接觸，導(dǎo)電性提高。

Abramson和共同作者，東京大學(xué)副教授Naoji Matsuhisa博士都描述了這些裂紋擴(kuò)展和電導(dǎo)率的指數(shù)變化如何在數(shù)學(xué)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(huì)通過對(duì)腫瘤施加過度壓力來影響測(cè)量，從而有效地?cái)D壓它。為了規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)，他們小心翼翼地將柔性材料的機(jī)械性能與皮膚相匹配，使傳感器像真實(shí)皮膚一樣柔韌和柔軟。

“這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，”艾布拉姆森說，“但這些固有的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該對(duì)制藥和腫瘤學(xué)界非常感興趣。FAST可以顯著加快，自動(dòng)化和降低癌癥治療篩查過程的成本。

他補(bǔ)充說：“根據(jù)我們?cè)谡撐闹懈攀龅某绦颍@種傳感器目前可以在世界各地的任何實(shí)驗(yàn)室以~60美元的價(jià)格生產(chǎn)。我們希望科學(xué)家們能夠立即開始使用我們的傳感器進(jìn)行利用皮下植入腫瘤的實(shí)驗(yàn)......我們?nèi)栽谂?chuàng)建傳感器的植入式版本，該傳感器需要測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，該傳感器“專為臨床前藥物篩選試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，任何將傳感器轉(zhuǎn)化為人類的努力都應(yīng)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(zhǔn)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(yàn)中使用的腫瘤消退測(cè)量技術(shù)，為高通量體內(nèi)藥物發(fā)現(xiàn)篩選和基礎(chǔ)癌癥研究開辟了新的途徑，利用傳感器的 與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)集。

艾布拉姆森建議，這項(xiàng)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(xué)，我們希望深入了解導(dǎo)致腫瘤更快消退的給藥方案。

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