Prostate Analysis Automation - Developing a High-Precision Frozen Tissue Sample Extractor for Cellular Research in Biobanking

Abstract

Prostatakreft er en av de vanligste krefttypene for menn. Selv om det er mulig å behandle hvis den oppdages på et tidlig stadium, er testene for diagnostisering enten dyre, risikable eller lite treffsikre. Ved å forske på biomarkører i kreftområdene, håper man å finne nye måter å oppdage kreften på. I en studie gjennomført på St. Olavs Hospital i Trondheim, ble en Proof of Concept (PoC)-prototype av en vevsprøve-samler lagd for å kutte ut prøver av kreftvev på prostata-skiver for videre forskning. På grunn av suksessen til PoCen, ble prosjektet tildelt European Research Council (ERC) Proof of Concept Grant 2022 for å finansiere videre utvikling.

Siden da har prosjektet gjennomgått tre utviklingsfaser, inkludert denne masteravhandlingen. I første fase foreslo et studentteam, inkludert forfatterne, å bruke Computer Numerical Control (CNC) fresing for å kutte ut prøver. I den andre fasen testet forfatterne ideen om CNC fresing, utviklet en ikke-inngripende vakuum griper for å holde fast skiven under fresing, og implementerte et luftkjølesystem for å begrense kuldetapet på grunn av vakuum-griperen, i deres prosjektoppgave. Den tredje, og siste fasen er presentert i denne masteravhandlingen. En ny og forbedret vevsprøve-samler, navngitt Frozen Tissue Sample Extractor (FTE), ble lagd til å være fullt kapabel til å hente ut vevsprøver for celleforskning. Utviklingen av FTE-en og dens underkomponenter, i tillegg til en evaluering av produktet er presentert i denne avhandlingen.

FTE-en klarte å hente ut vevsprøver fra alle områder på skiver fra flere ulike vev, inkludert ekte prostatvev fra mennesker, med høy presisjon og ingen begrensning på form eller størrelse. Den opprettholdt og en temperatur på under -10°C, som dermed gjorde at den biologiske integriteten til vevene ble bevart.

Flere komponenter, som f.eks. oppsamlingssystemet og det fjærbasert gripe-konseptet, var laget for å illustrere produktets potensial for å bli automatisert. Brukertesting viste og at FTE var brukervennlig, gitt at en manual er tilgjengelig.

Arbeidet gjort i denne masteravhandlingen holder på å bli skrevet ned i en HardwareX-artikkel, som er planlagt å leveres inn i løpet av høsten 2024. Sammen med denne oppgaven vil den forhåpentligvis hjelpe ARTS-prosjektet med å gjøre konseptet om automatisert vevsprøve-uthenting tilgjengelig for biobanker og forskningslabratorier rundt omkring i verden.

Prostate cancer is one of the most common cancer types for men. Although it is treatable if detected early, the tests for diagnosing the cancer are either inaccurate, expensive, or come with certain risks and side effects. By researching the biomarkers in prostate cancer tissue, it is believed that new, less invasive ways of detecting prostate cancer can be found. In a study conducted at St. Olavs Hospital in Trondheim, a Proof of Concept (PoC) tissue sampling prototype was made to cut out samples from the cancerous areas of the prostate slices to identify prostate cancer biomarkers. Due to the success of the PoC, the European Research Council (ERC) 2022 research grant was awarded to the project to fund further development of the PoC.

Since then, the project has undergone three stages of development, including this master thesis. In the first stage, a team of students, including the authors, proposed Computer Numerical Control (CNC) milling for cutting out samples. In the second stage, the authors tested CNC milling, developed a non-invasive vacuum gripper to secure slices during milling, and implemented an aircooling system to mitigate cold loss from the vacuum gripper as their pre-masters project. The third and final stage of development is presented in this master thesis. A new and improved tissue sampler, called the Frozen Tissue Sample Extractor (FTE), was designed and built to be fully capable of extracting tissue samples for cellular research. The development of the FTE and its sub-components, as well as the evaluation of the FTEs performance, will be presented in this thesis.

The FTE was able to extract samples from anywhere on frozen slices of diverse tissue types, including real human prostate, with precision and no limitations to sample shape or size. It was simultaneously able to keep the slices below -10°C, thus preserving the biological integrity of the tissues.

Several components, like the semi-automatic collection system and the spring-based clamping mechanism, were developed to illustrate the FTE potential for becoming automated. Testing also confirmed the FTE is user-friendly, given that a product manual is provided.

The work done in this thesis is currently being written into a HardwareX article, which is planned for submission in the Autumn of 2024. Along with this thesis, it will hopefully help the ARTS project with making the concept of automated tissue sampling available to biobanks and research labs worldwide.