Ein einfacher Papiertest könnte eine frühe Krebsdiagnose ermöglichen

MIT-Ingenieure haben einen neuen Nanopartikelsensor entwickelt, der eine Früherkennung von Krebs mit einem einfachen Urintest ermöglichen könnte. Die Sensoren, die viele verschiedene Krebsproteine ​​erkennen können, könnten auch verwendet werden, um die Art eines Tumors zu unterscheiden oder wie er auf die Behandlung anspricht.

Die Nanopartikel sind so konzipiert, dass sie beim Auftreffen auf einen Tumor kurze DNA-Sequenzen abgeben, die mit dem Urin ausgeschieden werden. Die Analyse dieser DNA-„Barcodes“ kann Unterscheidungsmerkmale des Tumors eines bestimmten Patienten aufdecken. Die Forscher haben ihren Test so konzipiert, dass er mit einem Papierstreifen durchgeführt werden kann, ähnlich einem COVID-Test zu Hause, von dem sie hoffen, dass er für so viele Patienten wie möglich erschwinglich und zugänglich wird.

„Wir versuchen innovativ zu sein, um Technologien für Einrichtungen mit geringen und mittleren Ressourcen verfügbar zu machen. Diese Diagnose zu Papier zu bringen, ist Teil unseres Ziels, die Diagnose zu demokratisieren und kostengünstige Technologien zu entwickeln, die Ihnen sofort eine schnelle Antwort geben können sorgen“, sagt Sangeeta Bhatia, John und Dorothy Wilson Professorin für Gesundheitswissenschaften und -technologie sowie für Elektrotechnik und Informatik am MIT und Mitglied des Koch-Instituts für Integrative Krebsforschung und des Instituts für Medizintechnik und Wissenschaft des MIT.

In Tests an Mäusen zeigten die Forscher, dass sie mit den Sensoren die Aktivität von fünf verschiedenen Enzymen nachweisen können, die in Tumoren exprimiert werden. Sie zeigten auch, dass ihr Ansatz skaliert werden kann, um mindestens 46 verschiedene DNA-Barcodes in einer einzigen Probe zu unterscheiden, wobei ein mikrofluidisches Gerät zur Analyse der Proben verwendet wird.

Bhatia ist der leitende Autor des Papiers, das heute in erscheint Natur Nanotechnologie. Liangliang Hao, ein ehemaliger MIT-Forscher, der jetzt Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Boston University ist, ist der Hauptautor der Studie.

DNA-Barcodes

Seit einigen Jahren entwickelt Bhatias Labor „synthetische Biomarker“, die zur Diagnose von Krebs eingesetzt werden könnten. Diese Arbeit baut auf dem Konzept auf, Krebs-Biomarker wie Proteine ​​oder zirkulierende Tumorzellen in der Blutprobe eines Patienten nachzuweisen. Diese natürlich vorkommenden Biomarker sind so selten, dass es fast unmöglich ist, sie zu finden, insbesondere in einem frühen Stadium, aber synthetische Biomarker können verwendet werden, um kleinere Veränderungen zu verstärken, die in kleinen Tumoren auftreten.

In früheren Arbeiten schuf Bhatia Nanopartikel, die die Aktivität von Enzymen namens Proteasen nachweisen können, die Krebszellen helfen, ihre ursprünglichen Orte zu verlassen oder sich an neuen Orten niederzulassen, indem sie Proteine ​​​​der extrazellulären Matrix durchschneiden. Die Nanopartikel sind mit Peptiden beschichtet, die von verschiedenen Proteasen gespalten werden, und sobald diese Peptide in den Blutkreislauf freigesetzt werden, können sie dann konzentriert und in einer Urinprobe leichter nachgewiesen werden.

Die ursprünglichen Peptid-Biomarker wurden entwickelt, um mithilfe eines Massenspektrometers auf der Grundlage kleiner künstlicher Variationen ihrer Masse nachgewiesen zu werden. Diese Art von Ausrüstung ist in Umgebungen mit geringen Ressourcen möglicherweise nicht verfügbar, daher machten sich die Forscher daran, Sensoren zu entwickeln, die einfacher und kostengünstiger analysiert werden können, indem sie DNA-Barcodes verwenden, die mit der CRISPR-Technologie gelesen werden können.

Damit dieser Ansatz funktioniert, mussten die Forscher eine chemische Modifikation namens Phosphorothioat verwenden, um die zirkulierenden DNA-Reporter-Barcodes vor dem Abbau im Blut zu schützen. Diese Modifikation wurde bereits verwendet, um die Stabilität moderner RNA-Impfstoffe zu verbessern, sodass sie länger im Körper überleben können.

Ähnlich wie bei den Peptid-Reportern ist jeder DNA-Barcode über einen Linker, der von einer spezifischen Protease gespalten werden kann, an ein Nanopartikel gebunden. Wenn diese Protease vorhanden ist, wird das DNA-Molekül freigesetzt und kann frei zirkulieren und schließlich im Urin landen. Für diese Studie verwendeten die Forscher zwei verschiedene Arten von Nanopartikeln: Zum einen ein Partikel aus Polymeren, die von der FDA für die Verwendung beim Menschen zugelassen wurden, und zum anderen ein „Nanokörper“ – ein Antikörperfragment, das so gestaltet werden kann, dass es sich an a anreichert Tumorstelle.

Sobald die Sensoren im Urin ausgeschieden sind, kann die Probe mit einem Papierstreifen analysiert werden, der einen Reporter erkennt, der durch ein CRISPR-Enzym namens Cas12a aktiviert wird. Wenn ein bestimmter DNA-Barcode in der Probe vorhanden ist, verstärkt Cas12a das Signal, sodass es als dunkler Streifen auf einem Papiertest zu sehen ist.

Die Partikel können so gestaltet werden, dass sie viele verschiedene DNA-Barcodes tragen, von denen jeder eine andere Art von Proteaseaktivität nachweist, was eine „gemultiplexte“ Erfassung ermöglicht. Die Verwendung einer größeren Anzahl von Sensoren erhöht sowohl die Sensitivität als auch die Spezifität, sodass der Test leichter zwischen Tumortypen unterscheiden kann.

Krankheitssignaturen

In Tests an Mäusen zeigten die Forscher, dass ein Panel von fünf DNA-Barcodes Tumore, die zuerst in der Lunge entstanden sind, genau von Tumoren unterscheiden konnte, die von Darmkrebszellen gebildet wurden, die in die Lunge metastasiert hatten.

„Unser Ziel hier ist es, Krankheitssignaturen aufzubauen und zu sehen, ob wir diese Barcode-Panels nicht nur zum Auslesen einer Krankheit, sondern auch zum Klassifizieren einer Krankheit oder zum Unterscheiden verschiedener Krebsarten verwenden können“, sagt Hao.

Für die Verwendung beim Menschen gehen die Forscher davon aus, dass möglicherweise mehr als fünf Barcodes verwendet werden müssen, da die Tumore der Patienten so unterschiedlich sind. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiteten sie mit Forschern des Broad Institute of MIT und Harvard unter der Leitung von Professor Pardis Sabeti von der Harvard University zusammen, um einen mikrofluidischen Chip zu entwickeln, mit dem bis zu 46 verschiedene DNA-Barcodes aus einer Probe gelesen werden können.

Diese Art von Tests könnte nicht nur zur Erkennung von Krebs verwendet werden, sondern auch zur Messung, wie gut der Tumor eines Patienten auf die Behandlung anspricht und ob er nach der Behandlung wieder aufgetreten ist. Die Forscher arbeiten nun an der Weiterentwicklung der Partikel mit dem Ziel, sie am Menschen zu testen. Glympse Bio, ein von Bhatia mitbegründetes Unternehmen, hat klinische Studien der Phase 1 mit einer früheren Version der diagnostischen Urinpartikel durchgeführt und festgestellt, dass sie bei Patienten sicher sind.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.