Eksponering af kræftsygdomme dødelige kurerer:Nanokæder markerer mikrometastaser til tidlig diagnose, behandling

Ondartede celler, der forlader en primær tumor, rejse i blodbanen og vokse ud af kontrol på nye steder forårsager langt de fleste kræftdødsfald. Ny nanoteknologi udviklet på Case Western Reserve University opdager disse metastaser i musemodeller af brystkræft langt tidligere end de nuværende metoder, et skridt mod tidligere, livreddende diagnose og behandling.

Et team af forskere, ingeniører og studerende på tværs af fem discipliner byggede nanokæder, der huserer på metastaser, før de er vokset ind i nyt væv, og, gennem magnetisk resonansbilleddannelse, opdage deres placeringer.

Billeder af den præcise placering og omfang af metastaser kan bruges til at vejlede kirurgi eller ablation, eller den samme teknologi, der bruges til at finde kræften, kunne bruges til at levere kræftdræbende lægemidler direkte til cellerne, før en tumor dannes, foreslår forskerne.

Arbejdet er beskrevet i denne uges onlineudgave af tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

"Mikrometastaser kan ikke ses med det blotte øje, men du skal fange dem på dette tidspunkt – se de nøjagtige steder, de er placeret, og se dem alle, " sagde Efstathios Karathanasis, adjunkt i biomedicinsk teknik og radiologi, og seniorforfatter. "Selvom du kun savner én, du forlænger overlevelsen, men én metastase kan stadig dræbe."

Karathanasis arbejdede med forskningsassocieret Pubudu M. Peiris, kandidatstuderende Randall Toy; bachelorstuderende Elizabeth Doolittle, Jenna Pansky, Aaron Abramowski, Morgan Tam, Peter Vicente, Emily Tran, Elliott Hayden og Andrew Camann; medicinstuderende Zachary Berman, seniorforsker Bernadette O. Erokwu, professor i biomedicinsk ingeniør David Wilson, kemiingeniør lektor Harihara Baskaran; og, fra Case Western Reserve School of Medicine, radiologi adjunkt Chris A. Flask og farmakologi lektor og afdelingsnæstformand Ruth A. Keri.

Tumordetektionsteknologier formår ikke at afdække kræftceller, der har taget fat på nye steder, fordi unge metastaser ikke opfører sig på samme måde som etablerede tumorer.

Efter at en brystkræftcelle kommer ind i blodbanen, det stopper oftest i leveren, milt eller lunger og begynder at overudtrykke overflademolekyler kaldet integriner. Integriner fungerer som en lim mellem kræftcellen og slimhinden i et blodkar, der nærer organet.

"Vi målretter mod integriner, "Karathanasis sagde. "Normale blodkarvægge præsenterer ikke integriner mod blodstedet, medmindre kræftceller hæfter sig der."

For at komme ind på kræftmarkøren, forskerne skulle først bygge en nano-enhed, der ville drive ud af den centrale strøm af blodbanen og til blodkarvæggene. Den mest almindelige form for nanopartikler er en kugle, men en kugle har en tendens til at gå med strømmen.

Karathanasis' team skræddersyede nanopartikler til at forbinde den ene til den anden, meget som en stabel lego. På grund af sin størrelse og form, den aflange kæde vælter ud af hovedstrømmen og skørter langs karvæggene.

Det ydre af kæden har flere steder designet til at binde med integriner. Når et websted låser på, andre griber fat. Sammenlignet med nanosfærer, kædernes fastgørelseshastighed i flowtest var næsten 10 gange højere.

At gøre det muligt for en læge at se, hvor relativt få kræftceller sidder i et hav af raske celler, forskerne inkorporerede fluorescerende markører og, at gøre nanokæderne mere synlige i magnetisk resonansbilleddannelse, fire led lavet af jernoxid.

Næste, holdet testede kæderne i en musemodel af en aggressiv form for brystkræft, der metastaserer til steder og organer stort set på samme måde som hos mennesker.

Fra etableret forskning, de vidste, at metastaser ville være til stede fem uger inde i modelleringen. De sprøjtede nanokæder ind i blodbanen og, inden for en time, to billeddannelsesteknikker - fluorescensmolekylær tomografi og MRI'er - viste, hvor omrejsende kræftceller havde etableret fodfæste, primært i leveren, lunger og milt.

Metastaserne lokaliseret ved hjælp af nanokæderne varierede fra 0,2 til 2 millimeter på tværs.

Senere billeddannelse ved høj forstørrelse viste, at disse metastatiske kræftceller for det meste blev fundet i blodkarvæggene, før de havde nået at vokse til organvæv.

"Når metastatiske celler bevæger sig ind i vævet, udvikle deres eget mikromiljø, og vokse til en 1-centimeter læsion, det indikerer typisk et sent stadium af metastatisk sygdom, som har et ugunstigt resultat, " sagde Karathanasis.

Ifølge American Cancer Society, 5-års overlevelsesraten for brystkræftpatienter falder kraftigt fra 98 procent i tilfælde, der får sygdommen, når den kun har produceret en lokaliseret primær læsion, til 23 procent i tilfælde, hvor fjerne store metastaser er vokset.

Nu hvor de har bevist, at konceptet virker, holdet bringer kliniske radiologer om bord ledet af Vikas Gulani, adjunkt i radiologi. Deres job er at hjælpe med et nyt studie, beregne hvor meget ny kræft teknologien finder og går glip af.