Kemisk blæksprutte fanger luskede kræftspor, spor glykoproteiner

Kræft afgiver tidligt sparsomme kemiske antydninger af sin tilstedeværelse, men desværre, mange af dem er i en klasse af biokemikalier, der ikke kunne påvises grundigt, indtil nu.

Forskere ved Georgia Institute of Technology har konstrueret en kemisk fælde, der udtømmende fanger det, der kaldes glycoproteiner, herunder små spor, der tidligere er undsluppet påvisning.

Glykoproteiner er proteinmolekyler bundet med sukkermolekyler, og de er meget almindelige i alt levende. Glykoproteiner findes i utallige varianter og størrelser og udgør vigtige cellestrukturer som cellereceptorer. De vandrer også rundt i vores kroppe i sekreter som slim eller hormoner.

Men nogle glykoproteiner er meget, meget sjælden og kan tjene som et tidligt signal, eller biomarkør, indikerer, at der er noget galt i kroppen – som kræft. Eksisterende metoder til at rulle glykoproteiner ind til laboratorieundersøgelser er relativt nye og har haft store huller i deres net, så mange af disse molekyler, især de meget sjældne, har haft en tendens til at glide forbi.

Kræftspor

"Disse små spor er af afgørende betydning for tidlig sygdomsdetektion, " sagde hovedefterforsker Ronghu Wu, en professor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. "Når kræften lige er begyndt, afvigende glykoproteiner produceres og udskilles i kropsvæsker såsom blod og urin. Ofte er deres overflod ekstremt lav, men det haster med at fange dem."

Denne nye kemiske fælde, som tog Georgia Tech kemikere flere år at udvikle og er baseret på en boronsyre, har vist sig ekstremt effektiv i laboratorietest, herunder på dyrkede humane celler og musevævsprøver.

"Denne metode er meget universel, " sagde førsteforfatter Haopeng Xiao, en færdiguddannet forskningsassistent. "Vi kommer over 1, 000 glykoproteiner i en virkelig lille laboratorieprøve."

I sammenligning af tests med eksisterende metoder, den kemiske fælde, en kompleks molekylær konstruktion, der minder om en blæksprutte, fangede eksponentielt flere glykoproteiner, især flere af disse spor glykoproteiner.

Wu, Xiao og Weixuan Chen, en tidligere postdoc forsker i Georgia Tech, som også var førsteforfatter til undersøgelsen, offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature Communications. Forskningen blev finansieret af National Science Foundation og National Institutes of Health.

Boron-bundler

For kemi suser, her er en kort oversigt over, hvordan forskerne lavede blæksprutten. De tog en god ting og fordoblede og tredoblede derefter på den.

De, der husker kemiklassen på gymnasiet, ved måske stadig, hvad borsyre er, det samme gør folk, der bruger det til at dræbe kakerlakker. Dens kemiske struktur er et atom af bor bundet med tre hydroxylgrupper (H3BO3).

Boronsyrer er en familie af organiske forbindelser, der bygger på borsyre. Der er mange medlemmer af boronsyrefamilien, og de har en tendens til at binde godt med glykoproteiner, men deres bindinger kan være mindre pålidelige end nødvendigt.

"De fleste boronsyrer lader for mange glykoproteiner med lav overflod slippe væk, " sagde Wu. "De kan fange glykoproteiner, der er i høj overflod, men ikke dem i lav overflod, dem, der fortæller os mere værdifulde ting om celleudvikling eller om menneskelig sygdom."

Benzoboroxol blæksprutte

Men Georgia Tech-kemikerne var i stand til at udnytte styrkerne af boronsyrer til at udvikle en glycoprotein-indfangningsmetode, der fungerer usædvanligt godt.

Først, de testede flere boronsyrederivater og fandt ud af, at en kaldet benzoboroxol var stærkt bundet til hver sukkerkomponent på glycopeptidet. ("Peptid" refererer til den grundlæggende kemiske sammensætning af et protein.)

Derefter syede de mange benzoboroxolmolekyler sammen med andre komponenter for at danne en "dendrimer, " som refererer til den resulterende gren- eller tentakellignende struktur. Det færdige store molekyle lignede en blæksprutte, der var klar til at gå efter disse sukkerkomponenter.

I dens midte, på samme måde som en blækspruttes hoved, var en magnetisk perle, der fungerede som en slags håndtag. Når først dendrimeren fangede et glykoprotein, forskerne brugte en magnet til at gribe perlen og trække deres kemiske blæksprutte ud sammen med dens indesluttede glycopeptider (f.eks. glykoproteiner).

"Så vaskede vi dendrimeren af ​​med en opløsning med lav pH, og vi fik analyseret glykoproteinerne med ting som massespektrometri, " sagde Wu.

Kræftbehandlinger?

Forskerne har nogle ideer om, hvordan medicinske laboratorieforskere kunne gøre praktisk brug af den nye Georgia Tech-metode til at opdage mærkelige biomolekyler udsendt af kræft, såsom antigener. For eksempel, den kemiske blæksprutte kunne forbedre detektion af prostataspecifikke antigener (PSA) i prostatacancerscreeninger.

"PSA er et glykoprotein. Lige nu, hvis niveauet er meget højt, vi ved, at patienten kan have kræft, og hvis det er meget lavt, vi ved, at kræft ikke er sandsynligt, " sagde Wu. "Men der er en gråzone imellem, og denne metode kunne føre til meget mere detaljeret information i det grå område."

Forskerne mener også, at udviklere kunne udnytte den kemiske opfindelse til at producere målrettede kræftbehandlinger. Immunceller kunne trænes til at genkende de afvigende glykoproteiner, spore deres kilde til kræftceller i kroppen og dræbe dem.

Forskningens potentiale for videnskab rækker langt ud over dens mulige fremtidige medicinske anvendelser.

Områderne genomik og proteomik har gjort store fremskridt. Følger i deres fodspor, denne nye molekylære fælde kunne fremme studiet af det stigende område af glykovidenskab.