Farveændringsurintest for kræft viser potentiale i museundersøgelse

En simpel og følsom urintest udviklet af Imperial og MIT ingeniører har frembragt en farveændring i urinen for at signalere voksende tumorer i mus.

Værktøjer, der opdager kræft i dens tidlige stadier, kan øge patientens overlevelse og livskvalitet. Imidlertid, kræftscreeningstilgange kræver ofte dyrt udstyr og ture til klinikken, hvilket måske ikke er muligt i landdistrikter eller udviklingsområder med ringe medicinsk infrastruktur.

Det nye område inden for point-of-care diagnostik arbejder derfor på billigere, hurtigere, og nemmere at bruge tests. Et internationalt par ingeniørlaboratorier går ind for denne tilgang og har udviklet et værktøj, der ændrer farven på museurin, når tyktarmskræft, også kendt som tarmkræft, er til stede.

Resultaterne er offentliggjort i Natur nanoteknologi .

Den tidlige teknologiske fase, udviklet af teams ledet af Imperials professor Molly Stevens og MITs professor Sangeeta Bhatia, virker ved at injicere nanosensorer i mus, som er skåret op af enzymer frigivet af tumorer kendt som proteaser.

Når nanosensorerne brydes op af proteaser, de passerer gennem nyrerne, og kan ses med det blotte øje efter en urinprøve, der giver en blå farveændring.

Forskerne anvendte denne teknologi på mus med tyktarmskræft, og fandt ud af, at urin fra tumorbærende mus bliver lyseblå, i forhold til testprøver taget fra raske mus.

Professor Stevens, af Imperials afdelinger for materialer og bioingeniør, sagde:"Ved at drage fordel af denne kemiske reaktion, der producerer en farveændring, denne test kan administreres uden behov for dyre og svært brugbare laboratorieinstrumenter.

"Den enkle udlæsning kunne potentielt fanges af et smartphone-billede og overføres til fjernplejere for at forbinde patienter til behandling."

Føler signaler

Når tumorer vokser og spredes, de producerer ofte biologiske signaler kendt som biomarkører, som klinikere bruger til både at opdage og spore sygdom.

En familie af tumorenzymer kendt som matrix metalloproteinaser (MMP'er) hjælper med at fremme væksten og spredningen af ​​tumorer ved at 'tygge' vævsstilladserne op, som normalt holder cellerne på plads.

Mange kræfttyper, herunder tyktarm, producere høje niveauer af flere MMP -enzymer, inklusive en kaldet MMP9.

I dette studie, Imperial-MIT-teamet udviklede nanosensorer, hvor ultra-små guld-nanokluster (AuNC'er) blev forbundet til en proteinbærer kaldet neutravidin, gennem linkere, der brydes af MMP9'er

For at udvikle den farveskiftende urintest, forskerne brugte to AuNC -egenskaber - deres meget små ( <2 nanometer) størrelse, og deres evne til at forårsage en blå farveændring, når de behandles med et kemisk substrat og hydrogenperoxid.

Forskerne designede AuNC-proteinkomplekserne til at skilles ad efter at være blevet skåret af MMP'er i tumormiljøet eller blodet. Når det er brudt fra hinanden, de frigivne AuNC'er rejser via blodet til nyrerne, hvor de er små nok til at blive filtreret igennem og ind i urinen.

Hos raske mus uden høje MMP-niveauer, komplekserne forbliver intakte, og er for store til at gå ud i urinen. Hvis AuNC'er er blevet koncentreret i urinen, en kemisk test vil frembringe en blå farveændring, der er synlig med det blotte øje.

Til denne undersøgelse, forskerne udviklede sensorer, der er skåret fra hinanden af ​​bestemte MMP'er og testede dem i mus. Forskerne viste, at deres farveændringstest nøjagtigt kunne detektere, hvilke urinprøver der kom fra mus med tyktarmssvulster i en undersøgelse af 28 mus injiceret med sensorerne, hvor 14 mus var raske og 14 havde tyktarmssvulster.

Inden for en halv time efter den kemiske behandling, kun urinen fra mus med tyktarmssvulster havde en kraftig blå farve. Derimod urin fra de raske kontrolmus udviste ingen farveændring.

Holdet designede også AuNC-overfladerne til at blive 'uset' af immunsystemet for at forhindre immunreaktioner eller toksiske bivirkninger, og for at forhindre rigelige serumproteiner i at klæbe til dem, hvilket ville gøre nanosensorerne for store til at blive filtreret af nyrerne.

I løbet af en fire ugers opfølgning efter nanosensor administration, musene viste ingen tegn på bivirkninger, og der var ingen beviser for, at protein-sensorkomplekset eller frie AuNC'er dvælede i musenes kroppe.

Co-første forfatter Dr. Colleen Loynachan, fra Imperials afdeling for materialer, sagde:"AuNC'erne ligner materialer, der allerede bruges i klinikken til billeddannelse af tumorer, men her udnytter vi deres unikke egenskaber til at give os yderligere information om sygdom. Imidlertid, der er stadig en masse optimering og test nødvendig, før teknologien kan bevæge sig ud over laboratoriet."

Tilgængelig diagnostik

Næste, holdet vil arbejde på at øge sensorernes specificitet og følsomhed ved at teste dem i flere dyremodeller for at undersøge diagnostisk nøjagtighed og sikkerhed.

Medforfatter Ava Soleimany, fra MIT, sagde:"Proteaser spiller funktionelle roller i en række sygdomme som kræft og infektionssygdomme. Ved at designe versioner af vores sensorer, der kan skæres af forskellige proteaser, vi kunne anvende denne farvebaserede test til at opdage en mangfoldighed af forhold."

Forskerne arbejder nu på en formulering, der er lettere at administrere, og identificere måder at få sensorerne til at reagere på flere biomarkører for at skelne mellem kræftformer og andre sygdomme.