레이저 기반 기기로 혈액에서 흑색종 세포를 검출하고 죽인다.

2019년 7월 25일 : 국립암연구소 제공

과학자들은 혈류를 통해 이동하는 흑색종 세포를 탐지할 뿐만 아니라 그들을 죽일 수도 있는 비침습적(몸에 수술 칼을 대지 않는) 장치를 개발했다.

조사원들이 사이토폰이라고 부르는 이 장치는 흑색종 환자 28명 중 27명으로부터 암세포를 정확하게 검출했다. 또한 참가자들의 혈액 내 암세포의 양을 감소시켜 암세포를 죽일 수도 있음을 암시했다.

이 장치는 레이저 빔과 음파를 사용하여 순환하는 혈액에서 흑색종 세포를 스캔한다. 그것은 천자용 바늘이나 혈액을 뽑아낼 필요가 없으며 한 사람의 전체 혈액량(약 5리터)을 몇 시간 안에 스캔할 수 있다.

이 연구의 수석 연구원인 블라디미르 자로프 박사는 국립암연구소가 후원한 연구를 통해 흑색종 환자의 혈액에서 암세포를 검출하는 데 이 장치를 사용하는 것이 가능한지를 입증했다고 말했다.

"혈류를 따라 순환하는 암세포를 발견하는 데 있어 한 가지 문제는 혈액에서 아주 적은 양의 종양 세포가 발견된다는 것,"이라고 이 연구의 자금 지원을 감독한 NCI의 암 치료 및 진단과의 미구엘 오산던 박사가 말했다.

6월 12일 ‘과학병진의학’ 이란 잡지에 발표된 이 연구 결과에 따르면, 이 사이토폰 장치는 혈액 1리터 내에서 하나의 암세포를 검출할 수 있고, 순환하는 암세포를 검색하는 데 사용되는 기존 기술보다 약 천 배나 더 민감한 것이다.

자로프 박사와 그의 연구팀은 흑색종 환자에 대한 더 큰 규모의 연구를 수행할 수 있도록 더 많은 장치를 만들기를 희망한다.

그리고 이 접근방식은 색소가 있는 세포만 검출할 수 있지만, 일부 수정을 하면 흑색종이 아닌 암에도 적용할 수 있다고, 아칸사스 의학과학 대학의 수석 저자인 에카테리나 갈란자 박사는 말했다. 예를 들어, 연구팀은 비 독성 금 나노입자를 사용함으로써, 쥐와 유방암 환자의 혈액 샘플에서 순환하는 유방암 세포를 검출하기 위해 유사한 접근법을 사용했다고 그녀는 설명했다.

순환 암세포 찾기

암세포가 항상 종양에 고착되어 있는 것은 아니다. 일부는 떨어져 나와 혈류와 림프계를 통해 자유롭게 떠다닌다. 연구원들은 의사들이 암환자들을 돌보는데 도움을 주는 것을 목표로 순환하는 종양 세포를 감지하고 분석하는 액체 생체검사라는 테스트를 개발했다.

대부분의 액체 생체검사 테스트는 환자로부터 혈액을 채취한 다음 실험실에서 정교한 기술을 사용하여 암세포의 존재 여부를 알기 위해 혈액을 처리하고 분석하는 것을 포함한다.

이런 식의 접근에는 한계가 있다고 저자들은 썼다. 예를 들어, 체내에서 세포를 빼내어 실험실로 가져가는 것은 분석의 정확성에 영향을 미칠 수 있는 방법으로 세포를 변화시킬 수 있다.

이와는 대조적으로, 사이토폰은 암세포가 환자의 몸 안에 있는 동안 이를 감지한다. 이 기기는 손이 맞춤형 홀더에 부드럽게 고정되어 있는 동안 손의 피부 아래 혈관에 짧은 레이저 펄스를 전달하여 작동한다. 순환하는 흑색종 세포가 레이저 빔을 통과하면서 그 안의 색소가 가열되어 초음파 변환기로 감지할 수 있는 음파가 발생한다.

이번 연구에 참여하지 않은 텍사스 MD 앤더슨 암센터의 켈리 넬슨 피부과 부교수는 "사이토폰 접근법의 또 다른 장점은 환자마다 크게 다를 수 있는 특정 분자 특성에 의해 흑색종 세포를 식별하지 않는다는 것"이라고 말했다. 그녀는 "사이토폰은 보다 분자적으로 접근하기보다 광범위한 흑색종 상황에 잠재적으로 적용될 수 있다"고 말했다.

순환 경로에서 암세포의 처리

여러 해 동안 이 장치를 개발하고 동물에서 실험한 후, 자로프 박사 팀은 임상 환경에서 이 장치를 연구하기 위해 국립암연구소의 자금을 획득했다.

우선, 과학자들은 흑색종이 있는 18명의 지원자들과 암의 기준 측정을 하지 않은 10명의 지원자들에게 사이토폰을 사용했고, 암세포와 건강한 세포를 구별하기 위한 컴퓨터 알고리즘(절차나 방법)을 훈련시켰다.

비록 근원이 알려지지 않은 암세포의 신호가 일부 포착되었지만, 건강한 자원 봉사자들에서는 암세포로부터의 신호가 감지되지 않았다. 연구원들은 이 장치가 암(즉, 특이성)이 없는 사람들을 95% 정확하게 식별했다고 추정했다. 참가자들은 어떠한 통증이나 피부 변화도 없다고 보고했다.

다음으로 연구팀은 흑색종 환자 10명을 대상으로 이 접근법을 실험해 순환 중인 흑색종 세포를 발견할 수 있음을 확인했다. 전체적으로 이 도구는 흑색종이 있는 한 사람을 제외한 모든 사람의 암세포를 찾아내어 높은 민감도(암에 걸린 사람을 정확하게 식별하는 능력)를 보여주었다.

기존 방법으로 검출할 수 있을 정도로 높은 순환 종양 세포의 농도를 가진 자원자에 대해서도 연구진은 여러 가지 다른 실험실 테스트를 통해 혈액 샘플에 순환 중인 종양 세포의 수를 확인하여 사이토폰 기기에서 나온 결과가 정확한지 확인했다.

과학자들이 흑색종이 있는 사람들에게 이 장치를 사용하면서, 그들은 흥미롭고 예상치 못한 패턴, 즉 순환 중인 종양 세포에서 나오는 신호가 시간이 지남에 따라 떨어진다는 것을 알아차렸다. 그들은 사이토폰이 암세포를 동시에 감지하고 파괴할 수 있는 것은 아닌지 궁금했다.

그는 "이미 동물 시험에서 순환 중인 종양 세포의 레이저 살해를 입증했지만 인간 대상 시험의 초기 목표는 아니었다."고 말했다. 진단 목적으로 비교적 저선량 레이저 에너지를 사용했다"고 자로프 박사는 말했다.

흑색종 세포가 레이저 광선에 의해 가열될 때, 작은 거품이 세포 내부의 색소 단백질 주위에 형성된다. 이러한 거품이 급속히 팽창함에 따라, 그들은 물리적으로 세포를 파괴할 수 있다. 레이저 광선은 적혈구에서도 색소를 가열할 수 있지만 거품이 형성되지 않아 건강한 세포를 해칠 위험이 없다.

실험실 시험에서, 과학자들은 한 시간 동안의 레이저 빔 노출이 환자로부터 수집된 혈액 샘플에서 종양 세포의 양을 현저하게 감소시켰다는 것을 발견했는데, 그러나 그 감소의 정도는 환자마다 달랐다. 이 장치는 암세포의 수를 11배 줄인 사례도 있다. 세포 살해 기능은 흑색종 세포의 색소 양에 따라 달라질 수 있다고 연구원들은 지적했다.

일부 순환 중인 암세포는 혈류를 빠져나와 몸의 다른 부위에서 새로운 종양을 형성하는 능력을 갖고 있기 때문에 혈액 속의 세포를 파괴하면 암이 퍼질 위험을 줄일 수 있다고 과학자들은 썼다.

흑색종의 조기 포획

사이토폰 접근방식은 임상 환경에서 일상적으로 사용되는 것과는 거리가 멀지만 여러 가지 잠재적인 응용방식이 있을 수 있다고 연구원들은 말했다.

자로프 박사는 연구팀은 초기 흑색종의 잠재적 검진 도구로서 이 장치를 테스트하는 데 주력할 계획이라고 말했다. 흑색종이 인체의 다른 곳으로 퍼졌을 때보다 일찍 포착하면 치료는 훨씬 더 효과적이라고 그는 설명했다. 현재 연구에서, 사이토폰 장치는 2기 흑색종인 것으로 알려진 세 명의 참가자 모두에서 순환 중인 종양 세포를 검출했다.

넬슨 박사는 이 장치를 검진 기구로 사용하면 숙련된 피부과 전문의의 전신 피부 검사를 받아야 하는 즉 암 전신검사를 받아야 할 사람들을 식별하는데 도움이 될 것이라고 말했다. 그러나 "그 접근법을 뒷받침하는 데 필요한 증거를 확보하려면 훨씬 더 많은 연구가 필요하다"고 그녀는 덧붙였다.

초기 흑색종 환자들의 전이 검사를 하는 것이 장치의 또 다른 잠재적인 응용일 수 있다고 넬슨 박사가 지적했다. 초기 병기 환자들은 종종 자신의 암이 퍼지는 것을 걱정한다고 그녀는 말했다. 그리고 "암을 조기에 감지하는 비수술적인 기술을 갖추는 것은 환자들에게 많은 희망을 주고 있다"고 그녀는 말했다.

그러나 그것이 가능해지려면 추가적인 검증과 테스트가 필요하다고 그녀는 강조했다.

Laser-Based Device Detects and Kills Melanoma Cells in the Blood, Study Finds

July 25, 2019, by NCI Staff

Scientists have developed a noninvasive device that may not only detect melanoma cells traveling through the bloodstream, but also kill them.

The device, which the investigators call Cytophone, accurately detected cancer cells in 27 out of 28 people with melanoma. It also reduced the amount of cancer cells in participants’ blood, suggesting that it may kill the cells.

The device uses laser beams and sound waves to scan circulating blood for melanoma cells. It does not require any needles or blood draws and can scan a person’s entire volume of blood—about 5 liters—in a matter of hours.

The NCI-funded study demonstrated the feasibility of using the device to detect cancer cells in the blood of people with melanoma, said the study’s senior investigator, Vladimir Zharov, Ph.D., D.Sc., director of the Arkansas Nanomedicine Center at the University of Arkansas for Medical Sciences.

“One problem with detecting circulating tumor cells is that they are found in very small amounts in blood,” said Miguel Ossandon, Ph.D., of NCI’s Division of Cancer Treatment and Diagnosis, who oversaw the study’s funding.

According to the findings, published June 12 in Science Translational Medicine, the Cytophone device was able to detect a single cancer cell in a liter of blood, making it about a thousand times more sensitive than existing technologies that are used to search out circulating cancer cells.

Dr. Zharov and his team hope to build more devices so that they can conduct a larger study of more patients with melanoma.

And although this approach can only detect cells that have pigment, with some modifications it is also applicable to cancers other than melanoma, noted lead author Ekaterina Galanzha, M.D., Ph.D., of the University of Arkansas for Medical Sciences. For example, by using nontoxic gold nanoparticles, the team used a similar approach to detect circulating breast cancer cells in mice and in blood samples from patients with breast cancer, she explained.

Finding Circulating Tumor Cells

Cancer cells are not always anchored to a tumor—some break away and float freely through the bloodstream and lymph system. Researchers have developed tests, called liquid biopsies, that detect and analyze circulating tumor cells with the goal of helping doctors care for people with cancer.

Most liquid biopsy tests involve collecting a vial of blood from a patient and then, in a laboratory, using sophisticated technologies to process and analyze the blood for the presence of cancer cells.

There are limitations to this kind of approach, the authors wrote. For example, taking cells out of the body and into a lab can alter them in ways that may affect the accuracy of analyses.

In contrast, Cytophone detects cancer cells while they’re inside the patient’s body. The device works by delivering short laser pulses to blood vessels under the skin of the person’s hand while their hand is gently fixed in a customized holder. As circulating melanoma cells pass through the laser beams, the pigment inside them gets heated up, resulting in sound waves that are detectable by an ultrasound transducer.

Another advantage of the Cytophone approach is that it doesn’t identify melanoma cells by specific molecular characteristics, which can vary greatly from patient to patient, said Kelly Nelson, M.D., associate professor of dermatology at the University of Texas MD Anderson Cancer Center, who was not involved in the study. Cytophone “could potentially be applicable to a broader context of

melanoma than more molecularly based approaches,” she said.

Stopping Cancer in Its Tracks

After developing the device for many years and testing it in animals, Dr. Zharov’s team obtained NCI funding to study it in a clinical setting.

First, the scientists used Cytophone on 18 volunteers who had melanoma and 10 who didn’t to define baseline measures and train a computer algorithm to distinguish cancer cells from healthy cells.

No signals from cancer cells were detected in the healthy volunteers, although some signals of unknown origin were picked up. The researchers estimated that the device correctly identified those who did not have cancer (i.e., the specificity) 95% of the time. The participants reported no pain or skin changes.

Next, the team tested the approach on 10 additional people with melanoma to confirm that it could find circulating melanoma cells. Overall, the tool picked up cancer cells in all but one person with melanoma, demonstrating a high sensitivity (the ability to correctly identify those who have cancer).

For volunteers who had a concentration of circulating tumor cells that was high enough to be detectable with conventional methods, the researchers also checked the number of circulating tumor cells in their blood samples using several different lab tests, verifying that the results from the Cytophone device were accurate.

As the scientists used the device on people with melanoma, they noticed an interesting and unexpected pattern: the signal from circulating tumor cells dropped over time. They wondered if Cytophone could be simultaneously detecting and destroying cancer cells.

“Although we had already demonstrated laser killing of circulating tumor cells in animals, this was not our initial goal in humans. We used relatively low laser energy for diagnostic purposes,” Dr. Zharov said.

When melanoma cells are heated by laser beams, tiny bubbles form around the pigment proteins inside the cells. As these bubbles rapidly expand, they can physically destroy the cells. Although laser beams can also heat pigment in red blood cells, bubbles do not form and so there is no danger of harming healthy cells.

In lab tests, the scientists found that one hour of laser beam exposure markedly reduced the amount of tumor cells in blood samples collected from patients, though the extent of the reduction varied from patient to patient. In one case, the device cut the number of cancer cells by 11-fold. The cell-killing feature may be dependent on the amount of pigment in melanoma cells, the researchers noted.

Because some circulating cancer cells have the ability to exit the bloodstream and form new tumors in other parts of the body (metastasis), destroying cells in the blood might reduce the risk of the cancer spreading, the scientists wrote.

Catching Melanoma Early

Although the Cytophone approach is far from being routinely used in a clinical setting, it could have several potential applications, the investigators said.

The team plans to focus on testing the device as a potential screening tool for early-stage melanoma, Dr. Zharov noted. Treatment is much more effective when melanoma is caught early than when it has spread to other places in the body, he explained. In the current study, the Cytophone device detected circulating tumor cells in all three participants who were known to have stage II melanoma.

Using the device as a screening tool could help identify people who should go on to receive a full body skin exam by a trained dermatologist, said Dr. Nelson. However, “obtaining the evidence that’s needed to support that approach requires a lot more research,” she added.

Monitoring for metastasis in people with early stage melanoma could be another potential application of the device, Dr. Nelson noted. People with early stage disease often worry that their cancer is spreading, she said, and the possibility of “having a noninvasive technique to detect disease progression at its earlier stages is already giving patients a lot of hope.”

But further validation and testing are still needed before that even becomes a possibility, she stressed.

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