Nanosensorer kan hjælpe med at bestemme tumors evne til at ombygge væv

MIT-forskere har designet nanosensorer, der kan profilere tumorer og kan give indsigt i, hvordan de vil reagere på visse terapier. Systemet er baseret på niveauer af enzymer kaldet proteaser, som kræftceller bruger til at ombygge deres omgivelser.

Når først det er tilpasset til mennesker, denne type sensor kan bruges til at bestemme, hvor aggressiv en tumor er og hjælpe læger med at vælge den bedste behandling, siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og elektroteknik og datalogi og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Denne tilgang er spændende, fordi folk udvikler terapier, der er proteaseaktiverede, " Bhatia siger. "Ideelt set vil du gerne være i stand til at stratificere patienter baseret på deres proteaseaktivitet og identificere, hvilke der ville være gode kandidater til disse terapier."

Når det først er blevet injiceret på tumorstedet, nanosensorerne aktiveres af et magnetfelt, der er uskadeligt for sundt væv. Efter at have interageret med og blevet modificeret af måltumorproteinerne, sensorerne udskilles i urinen, hvor de let kan opdages på mindre end en time.

Bhatia og Polina Anikeeva, klassen af ​​1942 lektor i materialevidenskab og teknik, er avisens seniorforfattere, som står i journalen Nano bogstaver . Artiklens hovedforfattere er Koch Institute postdoc Simone Schurle og kandidatstuderende Jaideep Dudani.

Varm op og slip

Tumorer, især aggressive, har ofte forhøjede proteaseniveauer. Disse enzymer hjælper tumorer med at sprede sig ved at spalte proteiner, der udgør den ekstracellulære matrix, som normalt omgiver celler og holder dem på plads.

I 2014 Bhatia og kolleger rapporterede at bruge nanopartikler, der interagerer med en type protease kendt som matrix metalloproteinaser (MMP'er) til at diagnosticere kræft. I den undersøgelse forskerne leverede nanopartikler med peptider, eller korte proteinfragmenter, designet til at blive spaltet af MMP'erne. Hvis MMP'er var til stede, hundredvis af spaltede peptider ville blive udskilt i urinen, hvor de kunne påvises med en simpel papirtest svarende til en graviditetstest.

I den nye undersøgelse, forskerne ønskede at tilpasse sensorerne, så de kunne rapportere om træk ved tumorer på et kendt sted. At gøre det, de skulle sikre, at sensorerne kun producerede et signal fra målorganet, upåvirket af baggrundssignaler, der kan produceres i blodbanen. De designede først sensorer, der kunne aktiveres med lys, når de nåede deres mål. Det krævede brug af ultraviolet lys, imidlertid, som ikke trænger særlig langt ind i væv.

"Vi begyndte at tænke på, hvilken slags energi vi kunne bruge, der kunne trænge længere ind i kroppen, " siger Bhatia, som også er medlem af MIT's Institute for Medical Engineering and Science.

For at opnå det, Bhatia slog sig sammen med Anikeeva, som har specialiseret sig i at bruge magnetiske felter til at fjernaktivere materialer. Forskerne besluttede at indkapsle Bhatias proteasefølende nanopartikler sammen med magnetiske partikler, der opvarmes, når de udsættes for et vekslende magnetfelt. Feltet er produceret af en lille magnetisk spole, der ændrer polaritet omkring en halv million gange i sekundet.

Det varmefølsomme materiale, der indkapsler partiklerne, går i opløsning, når de magnetiske partikler opvarmes, tillader proteasesensorerne at blive frigivet. Imidlertid, partiklerne producerer ikke nok varme til at beskadige nærliggende væv.

"Det har været udfordrende at undersøge tumorspecifikke proteaseaktiviteter fra patienters biovæsker, fordi disse proteaser også er til stede i blod og andre organer, " siger Ji Ho (Joe) Park, en lektor i bio- og hjerneteknik ved Korea Advanced Institute of Science and Technology.

"Styrken ved dette arbejde er de magnetotermisk responsive protease nanosensorer med spatiotemporal kontrollerbarhed, " siger Park, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Med disse nanosensorer, MIT-forskerne kunne analysere proteaseaktiviteter involveret mere i tumorprogression ved at reducere off-target aktivering betydeligt."

Valg af behandlinger

I en undersøgelse af mus, forskerne viste, at de kunne bruge disse partikler til korrekt at profilere forskellige typer kolontumorer baseret på, hvor meget protease de producerer.

Kræftbehandlinger baseret på proteaser, nu i kliniske forsøg, består af antistoffer, der retter sig mod et tumorprotein, men har "slør", der forhindrer dem i at blive aktiveret, før de når tumoren. Slørene spaltes af proteaser, så denne terapi ville være mest effektiv for patienter med høje proteaseniveauer.

MIT-teamet udforsker også at bruge denne type sensor til at afbilde kræftlæsioner, der spredes til leveren fra andre organer. Kirurgisk fjernelse af sådanne læsioner fungerer bedst, hvis der er færre end fire, så måling af dem kunne hjælpe lægerne med at vælge den bedste behandling.

Bhatia siger, at denne type sensor også kan tilpasses til andre tumorer, fordi magnetfeltet kan trænge dybt ind i kroppen. Denne tilgang kunne også udvides til at stille diagnoser baseret på påvisning af andre slags enzymer, inklusive dem, der skærer sukkerkæder eller lipider.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.