Inhalerbare sensorer kunne muliggøre tidlig opdagelse af lungekræft

Ved at bruge en ny teknologi udviklet på MIT kan diagnosticering af lungekræft blive lige så let som at inhalere nanopartikelsensorer og derefter tage en urintest, der afslører, om der er en tumor til stede.

Den nye diagnostik er baseret på nanosensorer, der kan leveres af en inhalator eller en forstøver. Hvis sensorerne støder på kræftbundne proteiner i lungerne, producerer de et signal, der ophobes i urinen, hvor det kan detekteres med en simpel papirteststrimmel.

Denne tilgang kan potentielt erstatte eller supplere den nuværende guldstandard for diagnosticering af lungekræft, lavdosis computertomografi (CT). Det kan have en særlig betydelig indvirkning i lav- og mellemindkomstlande, som ikke har udbredt tilgængelighed af CT-scannere, siger forskerne.

"Kræft rundt omkring i verden vil blive mere og mere udbredt i lav- og mellemindkomstlande. Epidemiologien af ​​lungekræft globalt er, at den er drevet af forurening og rygning, så vi ved, at det er omgivelser, hvor adgang til denne slags teknologi kan have en stor indflydelse," siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og i elektroteknik og datalogi ved MIT, og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Ingeniørvidenskab og videnskab.

Bhatia er seniorforfatter af papiret, som vises i Science Advances . Qian Zhong, en MIT-forsker, og Edward Tan, en tidligere MIT-postdoc, er hovedforfatterne af undersøgelsen.

Inhalerbare partikler

For at hjælpe med at diagnosticere lungekræft så tidligt som muligt, anbefaler U.S. Preventive Services Task Force, at storrygere over 50 år gennemgår årlige CT-scanninger. Det er dog ikke alle i denne målgruppe, der modtager disse scanninger, og den høje falsk-positive rate af scanningerne kan føre til unødvendige, invasive tests.

Bhatia har brugt det sidste årti på at udvikle nanosensorer til brug ved diagnosticering af kræft og andre sygdomme, og i denne undersøgelse undersøgte hun og hendes kolleger muligheden for at bruge dem som et mere tilgængeligt alternativ til CT-screening for lungekræft.

Disse sensorer består af polymer-nanopartikler belagt med en reporter, såsom en DNA-stregkode, der spaltes fra partiklen, når sensoren støder på enzymer kaldet proteaser, som ofte er overaktive i tumorer. Disse journalister akkumuleres til sidst i urinen og udskilles fra kroppen.

Tidligere versioner af sensorerne, som var rettet mod andre kræftsteder såsom leveren og æggestokkene, var designet til at blive givet intravenøst. Til diagnosticering af lungekræft ønskede forskerne at skabe en version, der kunne inhaleres, hvilket kunne gøre det nemmere at implementere i lavere ressourceindstillinger.

"Da vi udviklede denne teknologi, var vores mål at levere en metode, der kan detektere kræft med høj specificitet og følsomhed, og også sænke tærsklen for tilgængelighed, så vi forhåbentlig kan forbedre ressourceforskellene og uligheden i tidlig opdagelse af lungekræft, " siger Zhong.

For at opnå det skabte forskerne to formuleringer af deres partikler:en opløsning, der kan aerosoliseres og leveres med en forstøver, og et tørt pulver, der kan afgives ved hjælp af en inhalator.

Når først partiklerne når lungerne, absorberes de i vævet, hvor de støder på eventuelle proteaser, der måtte være til stede. Menneskeceller kan udtrykke hundredvis af forskellige proteaser, og nogle af dem er overaktive i tumorer, hvor de hjælper kræftceller med at undslippe deres oprindelige placering ved at skære igennem proteiner i den ekstracellulære matrix.

Disse kræftfremkaldende proteaser spalter DNA-stregkoder fra sensorerne, så stregkoderne kan cirkulere i blodbanen, indtil de udskilles i urinen.

I de tidligere versioner af denne teknologi brugte forskerne massespektrometri til at analysere urinprøven og detektere DNA-stregkoder. Massespektrometri kræver dog udstyr, der måske ikke er tilgængeligt i områder med lav ressource, så for denne version lavede forskerne en lateral flow-analyse, som gør det muligt at detektere stregkoderne ved hjælp af en papirteststrimmel.

Forskerne designede strimlen til at detektere op til fire forskellige DNA-stregkoder, som hver indikerer tilstedeværelsen af ​​en anden protease. Ingen forbehandling eller forarbejdning af urinprøven er påkrævet, og resultaterne kan aflæses ca. 20 minutter efter prøven er taget.

"Vi pressede virkelig på denne analyse for at være et point-of-care tilgængeligt i en miljø med lav ressource, så ideen var ikke at lave nogen prøvebehandling, ikke lave nogen amplifikation, bare for at kunne placere prøven lige på papiret og læs det op på 20 minutter," siger Bhatia.

Nøjagtig diagnose

Forskerne testede deres diagnostiske system i mus, der er gensplejset til at udvikle lungetumorer svarende til dem, der ses hos mennesker. Sensorerne blev administreret 7,5 uger efter, at tumorerne begyndte at dannes, et tidspunkt, der sandsynligvis ville korrelere med stadium 1 eller 2 kræft hos mennesker.

I deres første sæt eksperimenter med musene målte forskerne niveauerne af 20 forskellige sensorer designet til at detektere forskellige proteaser. Ved at bruge en maskinlæringsalgoritme til at analysere disse resultater identificerede forskerne en kombination af kun fire sensorer, der blev forudsagt at give nøjagtige diagnostiske resultater. De testede derefter denne kombination i musemodellen og fandt ud af, at den nøjagtigt kunne detektere lungetumorer i tidlige stadier.

Til brug på mennesker er det muligt, at flere sensorer kan være nødvendige for at stille en nøjagtig diagnose, men det kan opnås ved at bruge flere papirstrimler, som hver registrerer fire forskellige DNA-stregkoder, siger forskerne.

Forskerne planlægger nu at analysere humane biopsiprøver for at se, om de sensorpaneler, de bruger, også vil fungere til at opdage humane kræftformer. På længere sigt håber de at udføre kliniske forsøg med humane patienter. Et firma kaldet Sunbird Bio har allerede kørt fase I-forsøg på en lignende sensor udviklet af Bhatias laboratorium til brug ved diagnosticering af leverkræft og en form for hepatitis kendt som nonalcoholic steatohepatitis (NASH).

I dele af verden, hvor der er begrænset adgang til CT-scanning, kan denne teknologi tilbyde en dramatisk forbedring af lungekræftscreening, især da resultaterne kan opnås under et enkelt besøg.

"Ideen ville være, at du kommer ind, og så får du svar på, om du har brug for en opfølgningstest eller ej, og vi kunne få patienter, der har tidlige læsioner, ind i systemet, så de kan få helbredende operation eller livreddende medicin." siger Bhatia.

Flere oplysninger: Qian Zhong et al., Inhalable point-of-care urindiagnostisk platform, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj9591. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9591

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

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.