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模擬晶片有助於加速癌細胞電刺激治療的研究

模擬晶片有助於加速癌細胞電刺激治療的研究 Credit:SMART@MIT News CC BY-NC-ND 3.0

模擬晶片的好處

癌症治療,以各種方式和原理,在治療方法開發出來之後,都需要適當的測試。除了在細胞培養皿中對癌細胞的測試,近來有了更逼真的模擬環境,也就是所謂的模擬晶片,悄悄成為各方開發和研究的方向。不但宣稱能夠減少動物使用,甚至比動物測試更精準,這樣的說法,是因為人和動物不相同,而模擬晶片,是依照人類的狀況去設計的。美國「麻州理工學院」(MIT)在這個領域上,算是箇中翹楚。繼「器官模擬晶片」(Organ on a chip)之後,我們來看看這個「癌細胞模擬晶片」(Cancer cell on a chip)。

電場對癌細胞的影響性

低強度、中度頻率的電場能有效的防止乳癌和肺癌細胞生長和擴散,同時不影響鄰近的健康細胞? 這是最近MIT位於新加坡的研究員,發表的微流體裝置,研究電場對癌細胞影響的成果。

過去幾十年來,科學家實驗另類的癌症治療,稱做「腫瘤治療電場」(tumor treating field, TTF),利用癌細胞結構和外界電場間的相互作用來治療癌症。大致說來,利用電場產生的力量作用在帶電荷的物體上。電場能夠影響癌細胞中的極性分子,像是「微管」(microtubules),對整齊排列。而這些分子的排列也決定細胞分裂。當微管排好尾端對尾端對齊形成「有絲分裂紡錘體」(mitotic spindle),細胞的基因物質接上「紡錘絲」(spindle fiber),拉扯和分裂細胞,從一個變成兩個。在過去,利用這樣的特性,科學家觀察到約100~300kHz的低頻電場加上和攪拌器般的強度,可以影響帶電荷的分子,瓦解其排列,以致於不會形成有絲分裂紡錘體造成細胞分裂。科學家對這樣的現象相當興奮,然而要對電場的強度和頻率做各種癌細胞反應的測試,確保只會影響癌細胞,對齊週遭的正常細胞沒有傷害,需要很多的實驗。

利用微流體裝置快速檢測

Novocure是ㄧ家致力於開發TTF來治療腦癌和肺癌的公司。而這裡介紹的微流體裝置,開發者也是由Novocure的研究,開發出能夠快速檢測電場對癌細胞影響的裝置。這個微流體裝置,由一種常見類似凝膠的多分子製作,裝置上排列有小的流道;另外以微米(micron)大小的「銀片」(silver flakes)和「聚二甲基矽氧烷」(PDMS)混合,等待熟化後,注入裝置中的兩個流道,形成很小且分開的兩個電極。在電極間的區域,注入含有乳癌或者肺癌細胞水凝膠和腫瘤,另外也注入健康的人類「內皮」(endothelial)細胞。如此建立一個模擬細胞外環境的立體組織。接下來,以100-200kHz的頻率、每平方公分1.1伏特的強度之持續電場,來影響這個模擬環境中的各種細胞。

實驗結果與未來發展

觀察發現,如果沒有任何電場影響,以上建立的模擬環境中的細胞會在兩天內快速生長和擴散;若給予連續三天的電場刺激,可以觀察到明顯的減緩腫瘤惡化,癌細胞增生減少;健康的內皮細胞也不受影響。就以上觀察讓科學家提出一個假設,就是健康細胞對電場的反應,可能和癌細胞是在不同的頻率。

目前FDA已經核准TTF治療癌症,不過整個開發過程非常長,歷經細胞體外和生物體體內實驗。若能有這樣的微流體裝置,可以快速找到針對不同癌細胞治療,合適的頻率和強度,將大幅增加實驗效率和減少花費。

文章參考:MIT News
圖片來源:SMART@MIT News CC BY-NC-ND 3.0
原文參考:Scientific Reports


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。