Inhalierbare Sensoren könnten die Früherkennung von Lungenkrebs ermöglichen

Mit einer neuen Technologie, die am MIT entwickelt wurde, könnte die Diagnose von Lungenkrebs so einfach werden wie das Einatmen von Nanopartikelsensoren und die anschließende Durchführung eines Urintests, der zeigt, ob ein Tumor vorhanden ist.

Die neue Diagnose basiert auf Nanosensoren, die über einen Inhalator oder einen Vernebler abgegeben werden können. Treffen die Sensoren auf krebsrelevante Proteine ​​in der Lunge, erzeugen sie ein Signal, das sich im Urin ansammelt und dort mit einem einfachen Papierteststreifen nachgewiesen werden kann.

Dieser Ansatz könnte möglicherweise den aktuellen Goldstandard für die Diagnose von Lungenkrebs, die Niedrigdosis-Computertomographie (CT), ersetzen oder ergänzen. Besonders große Auswirkungen könnte es in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen haben, in denen CT-Scanner nicht weit verbreitet sind, sagen die Forscher.

„Überall auf der Welt wird Krebs in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen immer häufiger auftreten. Die globale Epidemiologie von Lungenkrebs geht davon aus, dass er durch Umweltverschmutzung und Rauchen verursacht wird der Technologie könnte große Auswirkungen haben“, sagt Sangeeta Bhatia, John und Dorothy Wilson-Professorin für Gesundheitswissenschaften und -technologie sowie für Elektrotechnik und Informatik am MIT und Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research und des Institute for Medical des MIT Ingenieurwesen und Wissenschaft.

Bhatia ist der leitende Autor des Artikels, der in erscheint Wissenschaftliche Fortschritte. Qian Zhong, ein MIT-Forscher, und Edward Tan, ein ehemaliger MIT-Postdoc, sind die Hauptautoren der Studie.

Einatembare Partikel

Um Lungenkrebs so früh wie möglich zu diagnostizieren, empfiehlt die US Preventive Services Task Force, dass starke Raucher über 50 sich jährlich einer CT-Untersuchung unterziehen. Allerdings erhält nicht jeder in dieser Zielgruppe diese Scans und die hohe Falsch-Positiv-Rate der Scans kann zu unnötigen, invasiven Tests führen.

Bhatia hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, Nanosensoren für die Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten zu entwickeln. In dieser Studie untersuchten sie und ihre Kollegen die Möglichkeit, diese als leichter zugängliche Alternative zum CT-Screening auf Lungenkrebs einzusetzen.

Diese Sensoren bestehen aus Polymernanopartikeln, die mit einem Reporter, etwa einem DNA-Barcode, beschichtet sind, der vom Partikel abgespalten wird, wenn der Sensor auf Enzyme namens Proteasen trifft, die in Tumoren oft überaktiv sind. Diese Reporter reichern sich schließlich im Urin an und werden vom Körper ausgeschieden.

Frühere Versionen der Sensoren, die auf andere Krebsherde wie Leber und Eierstöcke abzielten, waren für die intravenöse Verabreichung konzipiert. Für die Lungenkrebsdiagnose wollten die Forscher eine inhalierbare Version entwickeln, die den Einsatz in ressourcenärmeren Umgebungen erleichtern könnte.

„Als wir diese Technologie entwickelten, war es unser Ziel, eine Methode bereitzustellen, die Krebs mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit erkennen kann und gleichzeitig die Schwelle für die Zugänglichkeit senkt, so dass wir hoffentlich die Ressourcenungleichheit und Ungleichheit bei der Früherkennung von Lungenkrebs verbessern können.“ “ sagt Zhong.

Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher zwei Formulierungen ihrer Partikel: eine Lösung, die aerosolisiert und mit einem Vernebler verabreicht werden kann, und ein trockenes Pulver, das mit einem Inhalator verabreicht werden kann.

Sobald die Partikel die Lunge erreichen, werden sie vom Gewebe aufgenommen und treffen dort auf eventuell vorhandene Proteasen. Menschliche Zellen können Hunderte verschiedener Proteasen exprimieren, und einige von ihnen sind in Tumoren überaktiv, wo sie Krebszellen helfen, ihren ursprünglichen Standort zu verlassen, indem sie Proteine ​​der extrazellulären Matrix durchschneiden.

Diese Krebsproteasen spalten DNA-Barcodes von den Sensoren ab und ermöglichen so, dass die Barcodes im Blutkreislauf zirkulieren, bis sie mit dem Urin ausgeschieden werden.

In früheren Versionen dieser Technologie verwendeten die Forscher Massenspektrometrie, um die Urinprobe zu analysieren und DNA-Barcodes zu erkennen. Für die Massenspektrometrie sind jedoch Geräte erforderlich, die in Gebieten mit geringen Ressourcen möglicherweise nicht verfügbar sind. Deshalb haben die Forscher für diese Version einen Lateral-Flow-Assay entwickelt, der die Erkennung der Barcodes mithilfe eines Papierteststreifens ermöglicht.

Die Forscher haben den Streifen so konzipiert, dass er bis zu vier verschiedene DNA-Barcodes erkennen kann, von denen jeder das Vorhandensein einer anderen Protease anzeigt. Es ist keine Vorbehandlung oder Aufbereitung der Urinprobe erforderlich und die Ergebnisse können etwa 20 Minuten nach der Probenentnahme abgelesen werden.

„Wir haben wirklich darauf gedrängt, dass dieser Assay in einer ressourcenarmen Umgebung direkt am Behandlungsort verfügbar ist. Die Idee war also, keine Probenverarbeitung und keine Amplifikation durchzuführen, nur um die Probe direkt auf das Papier bringen zu können.“ und es in 20 Minuten vorlesen“, sagt Bhatia.

Genaue Diagnose

Die Forscher testeten ihr Diagnosesystem an Mäusen, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie Lungentumoren entwickeln, die denen beim Menschen ähneln. Die Sensoren wurden 7,5 Wochen nach Beginn der Tumorbildung verabreicht, ein Zeitpunkt, der beim Menschen wahrscheinlich mit Krebs im Stadium 1 oder 2 korrelieren würde.

In ihrer ersten Versuchsreihe an Mäusen maßen die Forscher die Werte von 20 verschiedenen Sensoren, die verschiedene Proteasen erkennen sollen. Mithilfe eines maschinellen Lernalgorithmus zur Analyse dieser Ergebnisse identifizierten die Forscher eine Kombination aus nur vier Sensoren, die voraussichtlich genaue Diagnoseergebnisse liefern würde. Anschließend testeten sie diese Kombination im Mausmodell und stellten fest, dass sie Lungentumoren im Frühstadium genau erkennen konnte.

Für den Einsatz beim Menschen sind möglicherweise mehr Sensoren erforderlich, um eine genaue Diagnose zu stellen. Dies könnte jedoch durch die Verwendung mehrerer Papierstreifen erreicht werden, von denen jeder vier verschiedene DNA-Barcodes erkennt, sagen die Forscher.

Die Forscher planen nun, menschliche Biopsieproben zu analysieren, um herauszufinden, ob die von ihnen verwendeten Sensorpanels auch zur Erkennung von Krebserkrankungen beim Menschen geeignet sind. Längerfristig hoffen sie, klinische Studien an menschlichen Patienten durchführen zu können. Ein Unternehmen namens Sunbird Bio hat bereits Phase-I-Studien mit einem ähnlichen, von Bhatias Labor entwickelten Sensor zur Verwendung bei der Diagnose von Leberkrebs und einer Form der Hepatitis, die als nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) bekannt ist, durchgeführt.

In Teilen der Welt, in denen es nur begrenzten Zugang zu CT-Scans gibt, könnte diese Technologie eine dramatische Verbesserung der Lungenkrebs-Früherkennung bieten, insbesondere da die Ergebnisse während eines einzigen Besuchs erhalten werden können.

„Die Idee wäre, dass Sie reinkommen und dann eine Antwort bekommen, ob Sie einen Folgetest benötigen oder nicht, und wir könnten Patienten mit frühen Läsionen in das System aufnehmen, damit sie eine heilende Operation oder lebensrettende Medikamente erhalten könnten.“ sagt Bhatia.

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