Nanosensoren zielen auf Enzyme ab, um Krebs zu überwachen und zu untersuchen

Krebs ist durch eine Reihe von biologischen Schlüsselprozessen gekennzeichnet, die als „Markenzeichen von Krebs“ bekannt sind und Zellen und ihre unmittelbare Umgebung so umgestalten, dass sich Tumore bilden, wachsen und gedeihen können. Viele dieser Veränderungen werden durch spezifische Gene und Proteine ​​vermittelt, die mit anderen zellulären Prozessen zusammenarbeiten, aber die Besonderheiten variieren von Krebsart zu Krebsart und sogar von Patient zu Patient.

Empfindliche Werkzeuge zur Messung der Protein- oder Genexpression, sogar auf Einzelzellebene, haben Forschern geholfen, die verschiedenen Zelltypen zu verstehen, die in der Mikroumgebung eines Tumors vorhanden sind, und wie sich diese Zusammensetzung nach Behandlungen verändert. Diese Assays zeigen jedoch nicht unbedingt, welche Proteine ​​aktiv oder für das Fortschreiten des Tumors relevant sind, oder ermöglichen es Klinikern, den Fortschritt der Krankheit oder ihr Ansprechen auf die Behandlung nichtinvasiv zu überwachen. Ein Protein könnte beispielsweise in einer Krebszelle als Zuschauer anwesend sein, aber nicht als aktiver Teilnehmer an deren zellulären Transformationen. Enzyme, die biochemische Reaktionen in Zellen katalysieren, können ein klareres Bild davon vermitteln, welche Gene oder Proteine ​​zu einem bestimmten Zeitpunkt angegriffen werden müssen.

In einer Arbeit, die kürzlich in veröffentlicht wurde Naturkommunikationhaben Forscher des MIT-Koch-Instituts für integrative Krebsforschung eine Reihe von enzymzielgerichteten Werkzeugen im Nanomaßstab entwickelt, um das Fortschreiten von Krebs und das Ansprechen auf die Behandlung in Echtzeit zu überwachen, die Enzymaktivität an genauen Stellen innerhalb eines Tumors abzubilden und relevante Zellpopulationen für die Analyse zu isolieren.

„Wir hoffen, dass diese neue Suite von Tools in der Klinik und im Labor gleichermaßen nützlich sein kann“, sagt Sangeeta Bhatia, John J. und Dorothy Wilson Professorin für Gesundheitswissenschaften und Technologie, Professorin für Elektrotechnik und Informatik und Seniorautorin des Studiums. „Mit der Weiterentwicklung könnten die Nanosensoren von Klinikern verwendet werden, um Behandlungen auf den spezifischen Krebs eines Patienten zuzuschneiden und das Fortschreiten des Krebses und das Ansprechen auf die Behandlung zu überwachen, während Forscher sie verwenden könnten, um die Molekularbiologie von Krebs besser zu verstehen und neue Werkzeuge zur Diagnose zu entwickeln. verfolgen und die Krankheit behandeln.“

Bhatia ist außerdem Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research und des Institute for Medical Engineering and Science des MIT. Die in Zusammenarbeit mit dem Labor von Tyler Jacks durchgeführte Studie wurde von Ava Amini (Soleimany), einer ehemaligen Doktorandin des Bhatia-Labors, geleitet; und Postdoc Jesse Kirkpatrick, ebenfalls vom Bhatia-Labor.

Tumore in Echtzeit verfolgen

Seit mehreren Jahren entwickelt das Bhatia-Labor nichtinvasive Urintests zur Erkennung von Krebs, einschließlich Dickdarm-, Eierstock- und Lungenkrebs. Die Tests beruhen auf Nanopartikeln, die mit Tumorproteinen, den sogenannten Proteasen, interagieren. Proteasen sind eine Art Enzym, das als molekulare Schere Proteine ​​spaltet und sie in kleinere Bestandteile zerlegt. Proteasen helfen Krebszellen bei der Flucht aus Tumoren, indem sie das extrazelluläre Netzwerk von Proteinen durchschneiden, das die Zellen an Ort und Stelle hält.

Die Nanopartikel sind mit Peptiden (kurzen Proteinfragmenten) beschichtet, die auf krebsassoziierte Proteasen abzielen. Wenn die Nanopartikel am Ort des Tumors ankommen, werden die Peptide geschnitten und setzen Biomarker frei, die im Urin nachgewiesen werden können.

In der aktuellen Studie testeten die Forscher, ob sie diese Technologie nicht nur zur Erkennung von Krebs einsetzen könnten, sondern auch, um die Entwicklung von Krebs und sein Ansprechen auf Behandlungen im Laufe der Zeit genau und empfindlich zu verfolgen. Das Team erstellte ein Panel aus 14 Nanopartikeln, die auf Proteasen abzielen, die in nicht-kleinzelligem Lungenkrebs, der in einem Mausmodell induziert wurde, überexprimiert werden. Diese Nanopartikel wurden angepasst, um Barcode-Peptide freizusetzen, wenn sie auf fehlregulierte Enzyme in der Mikroumgebung des Tumors treffen.

Jeder Nanosensor war in der Lage, unterschiedliche Muster der Proteaseaktivität zu verfolgen, die sich mit fortschreitendem Tumor dramatisch veränderten. Nach der Behandlung mit einem auf Lungenkrebs abzielenden Medikament konnten die Forscher innerhalb von nur drei Tagen nach Verabreichung der Behandlung schnell Anzeichen einer Tumorregression feststellen.

Zellkarten und Populationen

Während die bestehende Nanosensortechnik verwendet werden könnte, um das Fortschreiten des Tumors und das Ansprechen auf die Behandlung im Allgemeinen zu verfolgen, könnte sie allein kein Licht auf den spezifischen zellulären Prozess werfen, der am Werk ist.

„Wie viele der verfügbaren Tools zur Bestimmung molekularer Marker für Krebs behandelt unser Urin-Reporter den Körper wie eine Black Box“, sagt Kirkpatrick. „Während wir einige Informationen über den Zustand der Krankheit erhalten, wollten wir mehr über die Zellen oder Proteine ​​erfahren, die dazu führen, dass sich die Krankheit auf eine bestimmte Weise verhält.“

Nachdem die interessierenden Nanosensoren identifiziert worden waren, kartierten die Forscher, wo in der Mikroumgebung des Tumors die auf diese Sensoren einwirkenden Enzyme aktiv waren. Sie passten ihre Nanosonden an, um fluoreszierende Markierungen zu hinterlassen, wenn sie vom Nanosensor abgespalten werden, und ordneten verschiedenen Proteasen verschiedene Markierungen zu. Nachdem sie die Nanosonden auf Proben von Lungengewebe aufgetragen hatten, suchten sie nach Mustern in der Verteilung der Tags.

Eine Markierung führte zu einem merkwürdigen spindelartigen Muster, das sich als zu den Tumorgefäßen gehörend herausstellte. Die Forscher ordneten die Proteaseaktivität bestimmten Zelltypen zu: Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden, und Perizyten, die die Gefäßfunktion regulieren und aktiv bei der Angiogenese rekrutiert werden – einem der archetypischen Kennzeichen des Wachstums von Krebszellen. Angiogenese ermöglicht es Tumorzellen, bestehende Blutgefäße zu rekrutieren und neue zur Bildung anzuregen, um die Nährstoffe zu erhalten, die für die Tumorbildung und -progression benötigt werden.

Unter Verwendung ihrer Nanosonden zur Markierung und Sortierung von Zellen basierend auf ihrer enzymatischen Aktivität identifizierte das Team Populationen von Zellen, die mit Gefäßsystemen assoziiert sind und eine erhöhte Expression von Genen im Zusammenhang mit Angiogenese zeigten. Die Forscher fanden auch Hinweise auf eine Signalübertragung zwischen Perizyten und den Endothelzellen, die zusammen angiogene Blutgefäße im Gefäßgewebe bilden.

Markenzeichen Beobachtungen

In zukünftigen Arbeiten versucht das Team, die spezifische Protease zu identifizieren, die in Perizyten aktiv ist, und ihre Rolle bei der Angiogenese zu analysieren. Mit diesem Wissen hoffen sie, Formulierungen von Therapien zu entwickeln, die Patienten verabreicht werden können, um die Rekrutierung und Bildung von Blutgefäßen im Zusammenhang mit Tumorwachstum zu stören.

Letztendlich stellt sich das Team jedoch Gruppen von Nanosonden vor, die auf mehrere wichtige Merkmale von Krebs gleichzeitig und nichtinvasiv bei Patienten abzielen. Andere Kennzeichen von Krebs sind die proliferative Signalgebung, die Umgehung von Wachstumssuppressoren, die Instabilität des Genoms, die Resistenz gegen den Zelltod, der deregulierte Stoffwechsel und die Aktivierung von Invasion und Metastasierung. Da Krebs die Proteaseaktivität in all diesen Prozessen verändert, könnten die Nanosonden des Teams so gestaltet werden, dass sie auf diese verschiedenen Prozesse abzielen, mit dem Ziel, ein umfassendes Bild der Tumoraktivität zu liefern, die die Krankheit antreibt. Der Ansatz könnte von Forschern verwendet werden, die biologische Schlüsselphänomene in Krebsmodellen untersuchen möchten, sowie von Klinikern, die das Fortschreiten von Krebs nichtinvasiv überwachen und Behandlungen für ihre Patienten auswählen möchten.

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.