Magnetiske nanotags opdager kræft i mus tidligere end metoder, der nu er i klinisk brug

At søge efter biomarkører, der kan advare om sygdomme som kræft, mens de stadig er i deres tidligste stadie, vil sandsynligvis blive langt lettere takket være en innovativ biosensor-chip udviklet af Stanford University-forskere.

Sensoren er op til 1, 000 gange mere følsom end nogen teknologi, der nu er i klinisk brug, er nøjagtig uanset hvilken kropsvæske der analyseres og kan detektere biomarkørproteiner over en række koncentrationer tre gange bredere end nogen eksisterende metode, siger forskerne.

Nanosensor-chippen kan også søge efter op til 64 forskellige proteiner samtidigt og har vist sig at være effektiv til tidlig påvisning af tumorer i mus, tyder på, at det kan åbne døren til betydeligt tidligere påvisning af selv de mest uhåndgribelige kræftformer hos mennesker. Sensoren kan også bruges til at detektere markører for andre sygdomme end kræft.

"I det tidlige stadie [af en kræftsygdom] proteinbiomarkørniveauet i blodet er meget, meget lav, så du har brug for ultrafølsom teknologi for at opdage det, " sagde Shan Wang, professor i materialevidenskab og teknik og i elektroteknik, og seniorforfatter til et papir, der beskriver sensoren, som blev offentliggjort online på Naturmedicin 's hjemmeside den 11. oktober. "Hvis du kan opdage det tidligt, du kan have tidlig intervention, og du har en meget bedre chance for at helbrede den person."

Wang sagde, at nanosensorteknologien også kunne give læger mulighed for hurtigt at bestemme, om en patient reagerer på et bestemt kemoterapiforløb. "Vi kan vide på dag to eller dag tre af behandlingen, om det virker eller ej, i stedet for en måned eller to senere, " han sagde.

Sensoren Wang og hans kolleger har skabt, som bruger magnetisk detektionsnanoteknologi, de havde udviklet tidligere, kan detektere en given kræftassocieret proteinbiomarkør i en koncentration så lav som en del ud af hundrede milliarder (eller 30 molekyler i en kubikmillimeter blod).

Selvom det grundlæggende i den magnetiske detektionsteknologi, der bruges i den nye biosensor, blev beskrevet sidste år i et papir i Proceedings of the National Academy of Sciences, den nye sensor er ikke kun mere følsom end den forrige i flere størrelsesordener, den udkonkurrerer også sin forgænger - og detektionsmetoder, der nu er i brug - på flere andre måder.

Tidlig påvisning af tumorer hos mus

Den mest imponerende præstationsgevinst beskrevet i Naturmedicin papiret er, at forskerne nu har vist, at magneto-nano-sensoren med succes kan detektere kræftsvulster i mus, når niveauerne af kræftassocierede proteiner stadig er et godt stykke under de koncentrationer, der kan påvises ved hjælp af den nuværende standardmetodologi, kendt under akronymet ELISA.

"Det er et kritisk fund for os, fordi det siger, at i en realistisk biologisk anvendelse - den med tumorvækst i mus - kan vi faktisk se tumorer, før noget andet kunne have opdaget dem, " sagde Sam Gambhir, professor i radiologi ved Stanford.

"Jeg vil sige, at PNAS-papiret er bevis på teknologiens koncept, og Naturmedicin papir er bevis på konceptet for teknologien, der fungerer i en applikation i den virkelige verden, " sagde han. "En ting er at få teknologien til at vise, at den i princippet kan fungere; det er noget helt andet rent faktisk at bruge det med rigtige museblodprøver fra en rigtig mus, der dyrker en rigtig tumor."

I den Naturmedicin papir, forskerne viser, at den nye magneto-nano sensor har en bred vifte af følsomhed, fra den tidligere beskrevne minutmængde til koncentrationer på seks størrelsesordener, eller en million gange, større. De bedste eksisterende analysemetoder, eller analyser, i klinisk brug er i stand til at detektere proteiner over en række koncentrationer på højst to størrelsesordener.

De fleste af de sensorplatforme, der i øjeblikket er i brug, er også begrænset til at udføre en enkelt analyse ad gangen, men fordi magneto-nano-sensorerne er knyttet til en mikrochip i en række af 64 sensorer, som hver kan sættes op til at detektere et andet protein, forskerne kan søge efter op til 64 forskellige proteiner samtidigt under en enkelt analyse, hvilket typisk tager en til to timer - langt mindre end de fleste eksisterende analyser.

Forskerne viste også, at sensoren er lige effektiv i enhver sandsynlig biologisk væske, eller matrix, at en læge ønsker at analysere for kræft-associerede proteiner. Disse væsker inkluderer urin, spyt, blodplasma (blod hvor blodlegemerne er fjernet), serum (blodplasma med de faktorer, der fremmer koagulering fjernet) og cellelysater (navnet anvendt på den cellulære gryderet fremstillet ved opløsning af celler).

"Ideen om, at du i det væsentlige kunne, på en enkelt analyseplatform, måle en bred mangfoldighed af biomolekyler, der er i et så bredt område af koncentrationer med en sådan følsomhed er virkelig, virkelig bemærkelsesværdig, " sagde Charles Drescher, en professor i obstetrik og gynækologi ved University of Washington i Seattle, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Jeg tror, ​​vi alle vil være meget spændte på, hvis det her virkelig lykkes."

Nøglen til alsidigheden af ​​magneto-nano-sensoren og det brede udvalg af koncentrationer, den kan detektere, ligger i brugen af ​​magnetisme.

Hvordan magnetiske nanotags afslører stenbruddet

Den grundlæggende detektionsmekanisme, der anvendes i magneto-nano-sensorerne, er at fange antigener - skadelige forbindelser, der produceres og udskilles af kræftcellerne - ved hjælp af antistoffer, der naturligt har en tendens til at binde sig til antigenerne. Antistofferne, kaldet "fange antistoffer, "påføres en sensor, så når matrixen af ​​interesse placeres på sensorchippen, de passende antigener binder.

Mens antigenerne holdes fast, endnu en klat af antistofferne påføres. Disse antistoffer tiltrækkes af antigenerne på sensorerne, og i binding med dem effektivt forsegle antigenerne inde i en antistofsandwich. Forskerne påfører derefter en vask indeholdende magnetiske nanopartikelmærker, der er skræddersyet til at passe til specifikke antistoffer. De magnetiske nanotags binder sig til det ydre antistof på sandwichen, hvor de ændrer det omgivende magnetfelt på en lille, men tydelig og detekterbar måde, som registreres af detektoren.

De proteindetektionsassays, der i øjeblikket er i brug, er afhængige af en række forskellige mekanismer, såsom måling af elektrisk ladning, fluorescerende signaler eller pH, som alle er tilbøjelige til interferens fra den biologiske matrix, hvori de ønskede proteiner findes. Mens et bestemt assay kan være fint til at vurdere et proteins koncentration i urinen, for eksempel, det kan fungere dårligt, når det påføres en blodprøve, da forskelle i matrixens sammensætning påvirker egenskaber som pH eller elektrisk ladning.

"Vores sensorer har vist sig at være ret ufølsomme over for matrix, så det er et andet nøgleelement fra et videnskabeligt synspunkt, " sagde Wang. Som et eksempel, han sagde, "Vi ved, at i spyt og blod, de har helt forskellige pH-værdier og forskellig kemi, men de er alle umagnetiske. Magnetisk er de ligesom luft. Så det forstyrrer ikke vores mekanisme [detektion]."

De fleste af de assays, der i øjeblikket er i brug, er kun i stand til at detektere proteiner over et snævert koncentrationsområde, før interferens af en eller anden art forringer assayets følsomhed. Det kan kræve en række analyser, der skal udføres på en prøve fortyndet til forskellige styrker, for at samle et komplet billede af et proteins koncentration i matrixen. Men igen, ved at bruge magnetisk detektion, Wang og hans kolleger er i stand til at omgå en sådan signalforringelse.

"Med den høje følsomhed og det brede område kan vi se på et stort panel af proteiner over en lang række koncentrationer, og med matrix-ufølsomhed, vi kan se på dem i forskellige væsker, " sagde Richard Gaster, MD/PhD kandidat i bioteknik og medicin, og første forfatter på Naturmedicin papir. "Vi behøver ikke at skræddersy, hvor vi leder efter; vi kan se på alting samtidigt." Det giver besparelser i tid, hvilken, når sensoren kommer i kommerciel brug, vil også udmønte sig i pengebesparelser.

En anden dyd ved teknologien, Wang sagde, er, at den bruger eksisterende teknologi, der allerede er i brug i datalagrings- og halvlederindustrien, og derfor, han tilføjede, "Det kan laves relativt billigt."

"Det er den samme sensor, du bruger på en harddisk til at læse en harddisk tilbage, sagde han. Det ligner meget det.

Et af de næste trin i forskningen, Wang sagde, er at teste magneto-nano-sensorerne på menneskelige blodprøver taget fra et langtidsstudie, hvor forskere tog blodprøver fra forsøgspersoner, før nogen af ​​dem blev diagnosticeret med kræft. Til denne ende, Stanford-teamet vil samarbejde med Fred Hutchison Cancer Research Center i Seattle og Canary Foundation, en nonprofit organisation, der fokuserer på tidlig diagnosticering af kræft.

"Vi kan faktisk bruge vores teknologi til at studere alle disse prøver, og vi kan muligvis fortælle et år før eller et halvt år før eller tre måneder før diagnosen, " sagde Wang. "Det arbejde vil være ekstremt interessant."

Kilde:Stanford University (nyheder:web)