Neuer Mikrochip erfasst Exosomen für eine schnellere und empfindlichere Erkennung von Lungenkrebs anhand einer Blutentnahme

Laut Forschern der University of Michigan ist eine neue Methode zur Diagnose von Lungenkrebs mithilfe einer Blutabnahme zehnmal schneller und 14-mal empfindlicher als frühere Methoden.

Der an der UM entwickelte Mikrochip erfasst Exosomen – winzige Pakete, die von Zellen freigesetzt werden – aus Blutplasma, um Anzeichen von Lungenkrebs zu erkennen.

Früher dachte man, dass es sich bei Exosomen um Müll handelt, der zur Reinigung aus Zellen ausgeworfen wird. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher entdeckt, dass es sich bei Exosomen um winzige Pakete handelt, die Proteine ​​oder DNA- und RNA-Fragmente enthalten, die für die Kommunikation zwischen Zellen wertvoll sind. Obwohl Exosomen gesunder Zellen wichtige Signale durch den Körper übertragen, können Exosomen von Krebszellen die Ausbreitung von Tumoren unterstützen, indem sie Gewebe auf die Aufnahme von Tumorzellen vorbereiten, bevor diese eintreffen.

„Krebs-Exosomen verlassen die Mikroumgebung des Tumors und bereiten sozusagen den Boden vor. Später werden die Samen der Krebszellen aus dem Tumor ausgestoßen und wandern durch den Blutkreislauf, um sich im konditionierten Boden einzupflanzen und zu wachsen“, sagte Sunitha Nagrath, UM-Professorin der chemischen und biomedizinischen Technik und Mitautor von die Studie im Tagebuch Gegenstand.

Exosomen tragen Proteine ​​sowohl innerhalb des Pakets als auch auf ihrer Außenoberfläche. Wie viele biologische Moleküle sind diese Oberflächenproteine ​​chiral – das heißt, sie haben eine Rechts- oder Linksdrehung –, was dazu führt, dass sie auf einzigartige Weise mit Licht interagieren.

In Krebs-Exosomen sind Oberflächenproteine ​​häufig mutiert, was bedeutet, dass eine genetische Veränderung die Reihenfolge der Moleküle verändert hat, aus denen das Protein besteht. Mutationen verändern auf subtile Weise die Form des Proteins, wodurch sich auch seine Chiralität verschiebt.

Diese Unterschiede können durch Wechselwirkungen mit verdrehtem – oder zirkular polarisiertem – Licht erkannt werden, das der Verdrehung im Protein entsprechen kann. Die Resonanz erzeugt ein starkes Signal, das an einen Lichtdetektor zurückgegeben wird. Allerdings sind diese Lichtsignaturen typischerweise schwach und schwer zu interpretieren. Darüber hinaus müssen für diesen Nachweis Exosomen aus einer Blutprobe extrahiert werden. Dies ist schwierig, da Exosomen klein sind und nur 30 bis 200 Nanometer (ein Millionstel Millimeter) messen.

Um sie zu erkennen, entwarf das Forschungsteam Goldnanopartikel in Form verdrehter Scheiben (nach einer Struktur, die erstmals 2022 beschrieben wurde). Natur Studie), die Exosomen in einem zentralen Hohlraum einfangen. Da Größe, Form und Oberflächenchemie nahezu perfekt aufeinander abgestimmt sind, fangen diese Hohlräume zuverlässig Exosomen ein.

Bei einer Rechtsdrehung erzeugen sie eine starke Resonanz bei rechtsdrehendem Licht, senden aber kein großes Signal zurück, wenn das einfallende Licht eine Linksdrehung aufweist. Diese unterschiedliche Reaktion auf verdrehtes Licht wird als Zirkulardichroismus bezeichnet.

Die in der Höhle versenkten Proteine ​​auf den eingefangenen Exosomen können je nach Form die Intensität des Rücksignals verstärken oder verringern. Die Goldhohlräume waren entlang der winzigen Kanäle eines mikrofluidischen Chips angebracht und fingen Exosomen aus Blutplasma ein und zeigten deutliche Signaturen zwischen Proben gesunder Studienteilnehmer und denen mit Lungenkrebs.

„Obwohl ich erwartet hatte, dass die optische Aktivität von Nanopartikeln von den Mutationen in den Proteinen abhängt, war ich angenehm überrascht, wie empfindlich sie war. Das liegt daran, dass Nanopartikel im Detektionsgerät alle gleich ausgerichtet sind.“ sagte Nicholas Kotov, Professor für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Irving Langmuir Distinguished University an der UM und Mitautor der Studie.

Die mikrofluidischen Chips, sogenannte CDEXO-Chips zur Zirkulardichroismus-Erkennung von EXOsomen, können möglicherweise zwischen bestimmten Lungenkrebsmutationen unterscheiden und Ärzten dabei helfen, Behandlungsentscheidungen zu treffen, um die dominanten Mutationen bei deren Veränderung gezielt anzusprechen.

Die Forscher gehen davon aus, dass der CDEXO-Chip zunächst zusätzlich zu herkömmlichen Diagnosemethoden eingesetzt wird. Da das Vertrauen in die Technologie zunimmt, könnte der Chip auch zur Früherkennung anderer Krebsarten eingesetzt werden.

„Als nächsten Schritt wollen wir uns die meisten bekannten mutierten soliden Tumorproteine ​​ansehen, um zu verstehen, wie sich ihre spektralen Signaturen unterscheiden. Von hier aus können wir die Technologie vorantreiben, um diese spektralen Unterschiede zur Unterscheidung zwischen Proteinen weiter zu vergrößern“, sagte Nagrath.