可穿戴可伸缩传感器测量小鼠肿瘤大小的变化

斯坦福大学和佐治亚理工学院的工程师创造了一种小型自主设备，该设备具有可拉伸/柔性传感器，可以粘附在荷癌小鼠的皮肤上，以测量肿瘤大小的变化。该团队声称，非侵入性，电池供电的FAST(柔性自主传感器测量肿瘤)设备对10微米敏感，并且可以实时无线将结果发送到智能手机应用程序。

在他们发表在《科学进展》上的论文中，研究小组描述了体内小鼠癌症模型的测试，该模型表明，传感器可以在治疗开始后的几个小时内识别使用活性药物治疗的动物和载体治疗的动物之间的肿瘤体积动力学差异。

研究人员认为，FAST设备代表了一种全新的，快速，廉价，免提和准确的方法来测试临床前模型中癌症药物的功效。他们还表示，与其他常见的肿瘤测量工具(如卡尺，植入式压力传感器和成像)相比，该传感器具有许多优势。他们认为，在更广泛的范围内，传感器可能指向癌症治疗的新方向。

Alex Abramson博士是研究人员报告的第一作者，并在斯坦福大学工程学院通讯作者Zhenan Bao博士的实验室进行博士后时进行了这项工作。艾布拉姆森现在是佐治亚理工学院化学和生物分子工程助理教授。

艾布拉姆森向GEN解释说：“我们对体内药物筛选过程完全自动化的前景感到兴奋。这将有望允许以这种方式测试比以前更多的药物，并且它将能够收集癌症候选药物的大量体内数据集。此外，我们希望我们的传感器能够阐明体内药物药效学的新模式，这些模式发生在以前无法测量的时间尺度上。该传感器将提供短期肿瘤消退的快速反馈，并且该数据可以与药物对长期肿瘤消退的影响相关联。

Abramson，Bao及其同事在一篇题为“用于实时监测肿瘤消退的柔性电子应变传感器”的论文中描述了他们的发展。

每年，研究人员都会在患有皮下肿瘤的小鼠身上测试数千种潜在的抗癌药物。很少有药物能进入人类患者，而且寻找新疗法的过程很慢，部分原因是一些用于测量药物治疗导致的肿瘤消退的技术可能需要数周才能读出反应。“研究人员通常通过比较治疗和未治疗对照的多次重复之间的肿瘤体积回归来读出体内模型，”作者解释说。

“在某些情况下，必须用卡尺手工测量所观察的肿瘤，”艾布拉姆森指出。然而，使用金属钳状卡尺来测量软组织并不理想，放射学方法无法提供实时评估所需的连续数据。科学家们在他们的论文中进一步评论说：“......固有的生物学变异与低分辨率测量工具和小样本量相结合，使得确定药物在体内的疗效成为一项困难的劳动密集型任务。准确确定治疗反应对于临床转化至关重要，自动化体内肿瘤回归测量的工具可以通过在更大的动物队列中收集高分辨率连续数据集来促进这一过程。

他们指出，数据质量的进步和减少的手动任务可以带来更准确的实验结果，并能够开发自动化、高通量体内药物测试的方法。“我们注意到，目前用于跟踪肿瘤消退的方法昂贵，繁琐，并且仅拍摄快照而不是连续测量肿瘤体积变化。有了这个传感器，我们希望完全自动化肿瘤消退测量的过程，“艾布拉姆森对GEN评论道。

FAST传感器已被开发为一种商业可扩展的可穿戴电子应变传感器，开发人员表明，它可以在分钟时间尺度上连续监测皮下植入肿瘤体积的微米级变化。这与卡尺和生物发光测量形成鲜明对比，后者可能需要长达数周的观察期才能读出肿瘤大小的变化。该传感器由柔性和可拉伸的皮肤状聚合物组成，其中包括嵌入的金电路层，连接到由前博士后和合著者Yasser Khan博士和Naoji Matsuhisa博士设计的小型电子背包。该设备测量膜上的应变 - 拉伸或收缩的程度 - 并将该数据传输到智能手机。

FAST的传感器由柔性和可拉伸的皮肤状聚合物组成，其中包括嵌入的金电路层。[Alex Abramson，斯坦福大学鲍组]

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对于传感器本身，我们开发了一种应变传感器，它不会对肿瘤环境施加任何额外的压力，并且对细胞水平的分辨率也很敏感，“Abramson进一步向GEN解释道。“柔软的SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)基板与超薄导电金层相结合，使我们能够实现这些特性。

使用FAST背包，可以快速而自信地快速跟踪与肿瘤大小回归相关的潜在疗法以进行进一步研究，或者将其排除为无效。在他们报告的对两只活小鼠皮下肿瘤模型的测试中，研究人员证明，传感器在时间和空间上的高分辨率使其能够在治疗开始后的短短五小时内辨别初始治疗效果。传感器还可以在一次电池充电后连续读取>24小时。

该团队表示，新设备至少展示了三项重大进展。首先，它提供连续监测，因为传感器物理连接到鼠标并在整个实验期间保持原位。其次，柔性传感器笼罩着肿瘤，因此能够测量使用其他方法难以辨别的形状变化。第三个好处是FAST既自主又非侵入性。它连接到皮肤 - 与创可贴不同 - 电池供电，无线连接。鼠标可以自由移动，不受设备或电线的阻碍，科学家不需要在传感器放置后主动处理鼠标。FAST 包也是可重复使用的，组装成本仅为 60 美元左右，并且可以在几分钟内连接到鼠标上。

突破在于FAST的柔性电子材料。涂在皮肤状聚合物上的是一层金，当拉伸时，会产生小裂缝，从而改变材料的导电性。拉伸材料，裂纹数量增加，导致传感器中的电子电阻也增加。当材料收缩时，裂纹重新接触，导电性提高。

Abramson和共同作者，东京大学副教授Naoji Matsuhisa博士都描述了这些裂纹扩展和电导率的指数变化如何在数学上等同于尺寸和体积的变化。

研究人员还必须考虑传感器本身是否会通过对肿瘤施加过度压力来影响测量，从而有效地挤压它。为了规避这种风险，他们小心翼翼地将柔性材料的机械性能与皮肤相匹配，使传感器像真实皮肤一样柔韧和柔软。

“这是一个看似简单的设计，”艾布拉姆森说，“但这些固有的优势应该对制药和肿瘤学界非常感兴趣。FAST可以显着加快，自动化和降低癌症治疗筛查过程的成本。

他补充说：“根据我们在论文中概述的程序，这种传感器目前可以在世界各地的任何实验室以~60美元的价格生产。我们希望科学家们能够立即开始使用我们的传感器进行利用皮下植入肿瘤的实验......我们仍在努力创建传感器的植入式版本，该传感器需要测量体内发现的许多不在皮肤上或附近的肿瘤......我们正在为植入式传感器研究的挑战是开发一种标准化的外科手术来执行植入。此外，我们正在努力使电子元件小型化，使传感器的植入式版本侵入性更小。

该团队强调，该传感器“专为临床前药物筛选试验而设计，任何将传感器转化为人类的努力都应该考虑与将传感器放置在给定肿瘤位置相关的手术影响。注意到该技术的其他潜在局限性，作者得出结论：“尽管存在这些局限性，但该传感器连续，自主和准确记录肿瘤体积消退的能力表明，该方法可以取代目前在体内临床前试验中使用的肿瘤消退测量技术，为高通量体内药物发现筛选和基础癌症研究开辟了新的途径，利用传感器的 与时间相关的数据集。

艾布拉姆森建议，这项技术还可以提供新的见解，可以改善现有的药物治疗方案。“通过探索体内短期药物药效学，我们希望深入了解导致肿瘤更快消退的给药方案。

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