Nowotwory stanowiły przyczynę blisko 10 milionów zgonów w 2020 roku – co oznacza niemal jedną na sześć śmierci na świecie, według danych Światowej Organizacji Zdrowia. Opóźnione wykrywanie nieprawidłowego wzrostu komórek chorobowych wciąż pozostaje jednym z największych wyzwań medycyny, ograniczając szanse na skuteczne leczenie. Jednym z obiecujących obszarów badań jest wykrywanie rzadkich krążących komórek nowotworowych (CTCs) we krwi obwodowej. Te nieinwazyjne biomarkery mogą znacznie ułatwić proces diagnostyczny i przyspieszyć identyfikację nowotworów we wczesnym stadium.
Niestety, proces separacji pożądanych komórek z próbek krwi to ogromne wyzwanie. Tradycyjne metody wymagają skomplikowanej obróbki materiału, zastosowania zaawansowanego sprzętu oraz pobrania dużych ilości próbki, co często sprawia, że efektywne oddzielenie CTCs staje się niezwykle trudne. Nowoczesne technologie próbują sprostać tym ograniczeniom, a przełomowe rozwiązania są coraz bliżej zastosowania w praktyce klinicznej.
W czasopiśmie naukowym Physics of Fluids, opublikowanym przez AIP Publishing, naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego K. N. Toosi w Teheranie zaproponowali nowatorski system oparty na wykorzystaniu stojących fal akustycznych powierzchniowych. Rozwiązanie to pozwala na precyzyjną separację komórek nowotworowych z krwinek czerwonych z niespotykaną wcześniej skutecznością. Platforma opracowana przez Afshina Kouhkorda i Nasera Naserifara łączy zaawansowane modelowanie komputerowe, analizy eksperymentalne oraz algorytmy sztucznej inteligencji w celu lepszego zrozumienia zjawisk związanych z akustyczną separacją komórek (tzw. akustofluidyki).
„Połączyliśmy algorytmy uczenia maszynowego z modelem opartym na danych oraz obliczeniami, aby zoptymalizować system pod kątem najwyższego współczynnika odzysku oraz skuteczności separacji komórek. Nasze rozwiązanie zapewnia 100% odzysku w optymalnych warunkach, jednocześnie zmniejszając zużycie energii poprzez precyzyjne sterowanie ciśnieniem akustycznym i przepływem” – wyjaśnia Naser Naserifar z Uniwersytetu Technologicznego K. N. Toosi.
W ciągu ostatnich lat technologia mikropłynów (mikrofluidyka) stała się perspektywicznym narzędziem w badaniach nad separacją komórek nowotworowych. W szczególności podejścia wykorzystujące akustofluidykę zyskują na popularności ze względu na ich biokompatybilność, zdolność generowania sił o wysokiej intensywności w zakresie MPa oraz możliwość operowania na długościach fal porównywalnych do wielkości komórek.
Innowacyjny element opisanego rozwiązania stanowi zastosowanie podwójnych pól ciśnieniowych, które znacząco zwiększają skuteczność oddziaływania na docelowe komórki. Kluczowe geometryczne ustawienia kanału mikropływowego na podłożu z niobianu litu, w połączeniu z odpowiednio dobranym ciśnieniem akustycznym, umożliwiają nie tylko separację komórek, ale także tworzenie precyzyjnych zbiorów danych. Dzięki nim można analizować trajektorie ruchu komórek i przewidywać ich migrację, co ma szczególne znaczenie w badaniach nad przerzutami nowotworowymi.
„Zaprojektowaliśmy zaawansowaną platformę typu lab-on-chip, która zapewnia energooszczędną, niezwykle dokładną oraz działającą w czasie rzeczywistym separację komórek” – powiedział Kouhkord. „Technologia ta może zrewolucjonizować procedury diagnostyczne, umożliwiając wykrywanie nowotworów na wcześniejszych etapach. Ponadto, otwiera nowe ścieżki dla zastosowań mikrotechnologii i sztucznej inteligencji w medycynie spersonalizowanej oraz diagnostyce onkologicznej.”
Opisany system pokazuje, że przyszłość diagnostyki onkologicznej może opierać się na synergii zaawansowanych technologii, takich jak sztuczna inteligencja, modelowanie akustyczne i mikroinżynieria. Przełomowe badania prowadzone przez ekspertów z Iranu stanowią obiecujący krok w kierunku bardziej dostępnych, skutecznych i przyjaznych pacjentom metod diagnostycznych. To również dowód na to, jak interdyscyplinarne podejście może przyczynić się do rozwiązania jednego z najtrudniejszych problemów współczesnej medycyny.
