Maligna celler som lämnar en primär tumör, resa genom blodet och växa ur kontroll på nya platser orsakar de allra flesta cancerdöd. Ny nanoteknik som utvecklats vid Case Western Reserve University upptäcker dessa metastaser i musmodeller av bröstcancer långt tidigare än nuvarande metoder, ett steg mot tidigare, livräddande diagnos och behandling.

Ett team av forskare, ingenjörer och studenter inom fem discipliner byggde nanokedjor som inhyser metastaser innan de har vuxit till nya vävnader, och, genom magnetisk resonansavbildning, upptäcka deras platser.

Bilder av den exakta platsen och omfattningen av metastaser kan användas för att styra kirurgi eller ablation, eller samma teknik som används för att hitta cancern kan användas för att leverera läkemedel som dödar cancer direkt till cellerna innan en tumör bildas, forskarna föreslår.

Arbetet beskrivs i veckans online -nummer av American Chemical Society journal ACS Nano .

"Mikrometastaser kan inte ses med blotta ögat, men du måste fånga dem i detta skede - se de exakta platserna de ligger och se dem alla, "sade Efstathios Karathanasis, biträdande professor i biomedicinsk teknik och radiologi, och seniorförfattare. "Även om du bara saknar en, du förlänger överlevnaden, men en metastas kan fortfarande döda. "

Karathanasis arbetade med forskningsassistenten Pubudu M. Peiris, doktorand Randall Toy; studenter Elizabeth Doolittle, Jenna Pansky, Aaron Abramowski, Morgan Tam, Peter Vicente, Emily Tran, Elliott Hayden och Andrew Camann; medicinsk student Zachary Berman, senior forskningsassistent Bernadette O. Erokwu, professor i biomedicinsk teknik David Wilson, kemitekniker docent Harihara Baskaran; och, från Case Western Reserve School of Medicine, radiologiassistent Chris A. Flask och docent i farmakologi och vice ordförande vid institutionen Ruth A. Keri.

Tumördetekteringstekniker misslyckas med att avslöja cancerceller som tagit tag på nya platser eftersom unga metastaser inte beter sig på samma sätt som etablerade tumörer.

Efter att en bröstcancercell kommit in i blodomloppet, det stannar oftast i levern, mjälte eller lungor och börjar överuttrycka ytmolekyler som kallas integriner. Integriner fungerar som ett lim mellan cancercellen och fodret i ett blodkärl som matar organet.

"Vi riktar oss mot integriner, "Karathanasis sa." Normala blodkärlväggar presenterar inte integriner mot blodplatsen om inte cancerceller fäster där. "

Hemma på cancermarkören, forskarna behövde först bygga en nanoanordning som skulle glida ut ur det centrala flödet av blodströmmen och till blodkärlens väggar. Den vanligaste formen av nanopartiklar är en sfär, men en sfär tenderar att följa med flödet.

Karathanasis team skräddarsydde nanopartiklar för att ansluta varandra till ungefär som en bunt Legos. På grund av sin storlek och form, den avlånga kedjan tumlar ut ur huvudströmmen och kjolar längs kärlväggarna.

Utsidan av kedjan har flera platser utformade för att binda med integriner. När en webbplats låser sig, andra tar tag i. Jämfört med nanosfärer, kedjornas fästhastighet i flödestester var nästan 10 gånger högre.

För att göra det möjligt för en läkare att se var relativt få cancerceller sitter i ett hav av friska celler, forskarna införlivade fluorescerande markörer och, för att göra nanokedjorna mer synliga vid magnetisk resonansavbildning, fyra länkar gjorda av järnoxid.

Nästa, laget testade kedjorna i en musmodell av en aggressiv form av bröstcancer som metastaserar till platser och organ på ungefär samma sätt som hos människor.

Från etablerad forskning, de visste att metastaser skulle vara närvarande fem veckor in i modelleringen. De injicerade nanokedjor i blodomloppet och inom en timme, två avbildningstekniker - fluorescensmolekylär tomografi och MRT - visade var resande cancerceller hade etablerat sig, främst i levern, lungor och mjälte.

Metastaserna med nanokedjorna sträckte sig från 0,2 till 2 millimeter över.

Senare avbildning vid hög förstoring visade att dessa metastatiska cancerceller hittades mestadels i blodkärlens väggar, innan de hade hunnit växa till organvävnad.

"När metastatiska celler rör sig in i vävnaden, utveckla sin egen mikromiljö, och växa till en 1 centimeter lesion, det indikerar vanligtvis ett sent skede av metastatisk sjukdom som har ett ogynnsamt resultat, "Sa Karathanasis.

Enligt American Cancer Society, den femåriga överlevnadsgraden för bröstcancerpatienter minskar kraftigt från 98 procent i de fall som fångar sjukdomen när den bara har producerat en lokaliserad primär lesion till 23 procent i fall där avlägsna stora metastaser har vuxit.

Nu när de har bevisat att konceptet fungerar, teamet tar med sig kliniska radiologer ombord ledd av Vikas Gulani, biträdande professor i radiologi. Deras jobb är att hjälpa till med en ny studie, beräknar hur mycket ny cancer tekniken hittar och saknar.