Cancer släpper glesa kemiska antydningar om dess närvaro tidigt, men tyvärr, många av dem är i en klass av biokemikalier som inte kunde detekteras noggrant, tills nu.

Forskare vid Georgia Institute of Technology har konstruerat en kemisk fälla som uttömmande fångar upp det som kallas glykoproteiner, inklusive små spår som tidigare har undgått upptäckt.

Glykoproteiner är proteinmolekyler bundna med sockermolekyler, och de är mycket vanliga i allt levande. Glykoproteiner finns i otaliga varianter och storlekar och utgör viktiga cellstrukturer som cellreceptorer. De vandrar också runt i våra kroppar i sekret som slem eller hormoner.

Men vissa glykoproteiner är mycket, mycket sällsynt och kan fungera som en tidig signal, eller biomarkör, indikerar att det är något fel i kroppen – som cancer. Befintliga metoder för att rulla in glykoproteiner för laboratorieundersökning är relativt nya och har haft stora hål i sina nät, så många av dessa molekyler, speciellt de mycket sällsynta, har tenderat att glida förbi.

Spår av cancer

"Dessa små spår är avgörande för tidig upptäckt av sjukdomar, sa chefsutredaren Ronghu Wu, professor vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. "När cancer bara börjar, avvikande glykoproteiner produceras och utsöndras i kroppsvätskor som blod och urin. Ofta är deras överflöd extremt låga, men att fånga dem är brådskande."

Denna nya kemikaliefälla, som tog Georgia Tech kemister flera år att utveckla och är baserad på en boronsyra, har visat sig extremt effektivt i laboratorietester inklusive på odlade mänskliga celler och musvävnadsprover.

"Denna metod är väldigt universell, " sa första författaren Haopeng Xiao, en forskarassistent. "Vi kommer över 1, 000 glykoproteiner i ett riktigt litet labbprov."

Vid jämförelse av tester med befintliga metoder, den kemiska fällan, en komplex molekylär konstruktion som påminner om en bläckfisk, fångade exponentiellt fler glykoproteiner, speciellt fler av dessa spårglykoproteiner.

Wu, Xiao och Weixuan Chen, en före detta postdoktorand forskare i Georgia Tech, som också var första författare till studien, publicerade sina resultat i tidskriften Nature Communications. Forskningen finansierades av National Science Foundation och National Institutes of Health.

Boronknippen

För kemi susar, här är en kort sammanfattning av hur forskarna gjorde bläckfisken. De tog en bra sak och dubblade och sedan tredubblades den.

De som minns gymnasiet i kemi kanske fortfarande vet vad borsyra är, liksom människor som använder den för att döda mörtar. Dess kemiska struktur är en atom av bor bunden med tre hydroxylgrupper (H3BO3).

Boronsyror är en familj av organiska föreningar som bygger på borsyra. Det finns många medlemmar av boronsyrafamiljen, och de tenderar att binda bra med glykoproteiner, men deras bindningar kan vara mindre tillförlitliga än nödvändigt.

"De flesta boronsyror låter för många låga glykoproteiner komma bort, " sade Wu. "De kan fånga glykoproteiner som finns i hög mängd men inte de i låg mängd, de som berättar mer värdefulla saker om cellutveckling eller om mänskliga sjukdomar."

Bensoboroxol bläckfisk

Men Georgia Tech-kemisterna kunde utnyttja styrkorna hos boronsyror för att utveckla en metod för att fånga glykoproteiner som fungerar exceptionellt bra.

Först, de testade flera boronsyraderivat och fann att en som kallas bensoboroxol var starkt bunden till varje sockerkomponent på glykopeptiden. ("Peptid" avser den grundläggande kemiska sammansättningen av ett protein.)

Sedan sydde de ihop många bensoboroxolmolekyler med andra komponenter för att bilda en "dendrimer, " som hänvisar till den resulterande gren- eller tentakelliknande strukturen. Den färdiga stora molekylen liknade en bläckfisk redo att gå efter dessa sockerkomponenter.

I dess mitt, på samma sätt som en bläckfisks huvud, var en magnetisk pärla, som fungerade som ett slags handtag. När dendrimeren väl fångade ett glykoprotein, forskarna använde en magnet för att ta tag i pärlan och dra ut deras kemiska bläckfisk tillsammans med dess snärjda glykopeptider (t.ex. glykoproteiner).

"Sedan tvättade vi bort dendrimeren med en lösning med lågt pH, och vi lät analysera glykoproteinerna med saker som masspektrometri, " sa Wu.

Cancerbehandlingar?

Forskarna har några idéer om hur medicinska laboratorieforskare skulle kunna göra praktisk användning av den nya Georgia Tech-metoden för att upptäcka udda biomolekyler som emitteras av cancer, såsom antigener. Till exempel, den kemiska bläckfisken skulle kunna förbättra upptäckten av prostataspecifika antigener (PSA) i prostatacancerscreeningar.

"PSA är ett glykoprotein. Just nu, om nivån är mycket hög, vi vet att patienten kan ha cancer, och om det är väldigt lågt, vi vet att cancer inte är sannolikt, " sa Wu. "Men det finns en gråzon däremellan, och den här metoden kan leda till mycket mer detaljerad information i det grå området."

Forskarna tror också att utvecklare kan utnyttja den kemiska uppfinningen för att producera riktade cancerbehandlingar. Immunceller kan tränas att känna igen de avvikande glykoproteinerna, spåra upp deras källa till cancerceller i kroppen och döda dem.

Forskningens potential för vetenskap går långt utöver dess möjliga framtida medicinska tillämpningar.

Områdena genomik och proteomik har gjort stora framsteg. Följer i deras fotspår, denna nya molekylära fälla skulle kunna främja studiet av det växande området glykovetenskap.