Oamenii de ştiinţă americani au proiectat un nou senzor de nanoparticule care poate permite diagnosticarea cancerului printr-un simplu test de urină. Noua metodă de diagnosticare ar putea indica şi dacă o tumoră a făcut metastaze.
Inginerii de la prestigioasa universitate MIT, din Statele Unite, au conceput un nou senzor cu nanoparticule care ar putea permite diagnosticarea precoce a cancerului cu un simplu test de urină. Senzorii, care pot detecta mai multe proteine canceroase diferite, ar putea fi, de asemenea, utilizaţi pentru a distinge tipul unei tumori sau modul în care aceasta răspunde la tratament.
Nanoparticulele sunt concepute astfel încât, atunci când întâlnesc o tumoră, să elibereze secvenţe scurte de ADN care sunt excretate în urină.
Analizând aceste „coduri de bare" de ADN se pot descoperi caracteristicile distinctive ale tumorii unui anumit pacient.
Cercetătorii au conceput testul lor astfel încât să poată fi efectuat cu ajutorul unei benzi de hârtie, similar unui test Covid efectuat la domiciliu, sperţnd astfel că l-ar putea face accesibil şi la îndemâna a cât mai multor pacienţi.
„Încercăm să inovăm în contextul în care tehnologia este disponibilă pentru mediile cu resurse mici şi medii", a declarat Sangeeta Bhatia, profesor de ştiinţe şi tehnologie în domeniul sănătăţii şi de inginerie electrică şi informatică la MIT şi membru al Institutului Koch pentru cercetarea integrativă a cancerului şi al Institutului pentru inginerie şi ştiinţă medicală de la MIT.
Punerea acestui diagnostic pe hârtie face parte din obiectivul cercetătorilor de a democratiza diagnosticele şi de a crea tehnologii ieftine care pot oferi un răspuns rapid la punctul de îngrijire
În cadrul testelor efectuate pe şoareci, cercetătorii au arătat că pot folosi senzorii pentru a detecta activitatea a cinci enzime diferite care sunt exprimate în tumori.
De asemenea, ei au arătat că abordarea lor ar putea fi extinsă pentru a distinge cel puţin 46 de coduri de bare ADN diferite într-o singură probă, folosind un dispozitiv microfluidic pentru a analiza probele.
Cercetarea a fost publicat online luni, în Nature Nanotechnology.
(Foto: Senzor de nanoparticule. Inginerii de la MIT au proiectat un nou senzor de nanoparticule care poate permite diagnosticarea cancerului cu un simplu test de urină. Nanoparticulele (albastru) poartă coduri de bare de ADN (linii în zigzag) care pot fi scindate de proteazele asociate cancerului din organism (forme de pac-man). Odată scindate, codurile de bare ADN pot fi detectate într-o probă de urină. vezi mai mult Credit: MIT News).
Codurile de bare ADN
Timp de mai mulţi ani, laboratorul de la MIT a dezvoltat 'biomarkeri sintetici' care ar putea fi utilizaţi pentru a diagnostica cancerul.
Noul studiu se bazează pe conceptul de detectare a unor biomarkeri de cancer, cum ar fi proteinele sau celulele tumorale circulante, în proba de sânge a unui pacient.
Aceşti biomarkeri naturali sunt atât de rari încât este aproape imposibil să fie identificaţi, mai ales într-un stadiu incipient, dar biomarkerii sintetici pot fi utilizaţi pentru a amplifica modificările la scară mai mică care apar în cadrul tumorilor mici.
În cadrul unor lucrări anterioare, echipa a creat nanoparticule care pot detecta activitatea unor enzime numite proteaze, care ajută celulele canceroase să scape din locurile lor iniţiale sau să se instaleze în altele noi, prin penetrarea proteinelor din matricea extracelulară.
Nanoparticulele sunt acoperite cu peptide care sunt scindate de diferite proteaze, iar odată ce aceste peptide sunt eliberate în fluxul sanguin, ele sunt mai concentrate putând fi detectate mai uşor într-o probă de urină.
Biomarkerii peptidici existenţi au fost concepuţi pentru a fi detectaţi pe baza unor mici variaţii proiectate în masa lor, cu ajutorul unui spectrometru de masă.
Acest tip de echipament ar putea să nu fie disponibil în mediile cu resurse reduse, astfel încât cercetătorii şi-au propus să dezvolte senzori care ar putea fi analizaţi mai uşor şi la preţuri mai accesibile, folosind coduri de bare ADN care pot fi citite cu ajutorul tehnologiei CRISPR.
Pentru ca această abordare să funcţioneze, cercetătorii au trebuit să folosească o modificare chimică numită fosforotioat pentru a proteja codurile de bare ale ADN-ului reporter circulant de a fi descompuse în sânge.
Această modificare a fost deja utilizată pentru a îmbunătăţi stabilitatea vaccinurilor moderne cu ARN, permiţându-le să supravieţuiască mai mult timp în organism.
La fel ca în cazul reporterilor peptidici, fiecare cod de bare de ADN este ataşat de o nanoparticulă printr-un liant care poate fi scindat de o protează specifică.
Dacă protează respectivă este prezentă, molecula de ADN este eliberată şi, fiind liberă să circule, ajunge în cele din urmă în urină.
Pentru acest studiu, cercetătorii au folosit două tipuri diferite de nanoparticule: una, o particulă fabricată din polimeri care au fost aprobaţi de FDA pentru utilizare la om, iar cealaltă un „nanobody" - un fragment de anticorp care poate fi proiectat să se acumuleze la locul unei tumori.
Odată ce senzorii sunt secretaţi în urină, proba poate fi analizată cu ajutorul unei benzi de hârtie care recunoaşte un reporter activat de o enzimă CRISPR numită Cas12a.
Atunci când un anumit cod de bare ADN este prezent în probă, Cas12a amplifică semnalul astfel încât acesta poate fi văzut ca o linie întunecată pe un test de hârtie.
Particulele pot fi proiectate pentru a purta mai multe coduri de bare ADN diferite, fiecare dintre acestea detectând un tip diferit de activitate proteazică, ceea ce permite detectarea „multiplex".
Utilizarea unui număr mai mare de senzori oferă o creştere a sensibilităţii şi a specificităţii, permiţând testului să distingă mai uşor între tipurile de tumori.
Semnături ale cancerului
În cadrul testelor efectuate pe şoareci, cercetătorii au arătat că un grup de cinci coduri de bare ADN poate distinge cu precizie tumorile care au apărut pentru prima dată în plămâni de tumorile formate de celulele cancerului colorectal care au făcut metastaze în plămâni.
„Scopul nostru aici este de a construi semnături ale bolii şi de a vedea dacă putem folosi aceste coduri de bare nu doar pentru a identifica o boală, ci şi pentru a o clasifica sau pentru a distinge diferite tipuri de cancer", a explicat autorul principal al studiului, Liangliang Hao, fost cercetător la MIT, care este în prezent profesor asistent de inginerie biomedicală la universitatea din Boston.
Pentru a putea fi utilizate la om, cercetătorii se aşteaptă să fie nevoie să folosească mai mult de cinci coduri de bare, deoarece există o mare varietate între tumorile pacienţilor.
Pentru a contribui la atingerea acestui obiectiv, ei au colaborat cu cercetători de la Institutul MIT şi Harvard, pentru a crea un cip microfluidic care poate fi folosit pentru a citi până la 46 de coduri de bare ADN diferite dintr-o singură probă.
Acest tip de test ar putea fi folosit nu numai pentru a detecta cancerul, ci şi pentru a măsura cât de bine răspunde tumora unui pacient la tratament şi dacă aceasta a recidivat după tratament.
Cercetătorii lucrează acum la dezvoltarea în continuare a particulelor, cu scopul de a le testa pe oameni.
O companie cofondată de oamenii de ştiinţă de la MIT a efectuat deja teste clinice de fază 1 ale unei versiuni anterioare a particulelor de diagnosticare pentru testul de urină şi a constatat că acestea sunt sigure pentru pacienţi.
