MIT-forskare har designat nanosensorer som kan profilera tumörer och kan ge insikt i hur de kommer att svara på vissa terapier. Systemet är baserat på nivåer av enzymer som kallas proteaser, vilka cancerceller använder för att bygga om sin omgivning.

En gång anpassad för människor, denna typ av sensor kan användas för att avgöra hur aggressiv en tumör är och hjälpa läkare att välja den bästa behandlingen, säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap och medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Det här tillvägagångssättet är spännande eftersom människor utvecklar terapier som är proteasaktiverade, "Bhatia säger. "Helst skulle du vilja kunna stratifiera patienter baserat på deras proteasaktivitet och identifiera vilka som skulle vara bra kandidater för dessa terapier."

När det väl injicerats på tumörstället, nanosensorerna aktiveras av ett magnetfält som är ofarligt för frisk vävnad. Efter att ha interagerat med och modifierats av måltumörproteinerna, sensorerna utsöndras i urinen, där de lätt kan upptäckas på mindre än en timme.

Bhatia och Polina Anikeeva, 1942 års docent i materialvetenskap och teknik, är tidningens författare, som står i journalen Nanobokstäver . Tidningens huvudförfattare är Koch Institute postdoc Simone Schurle och doktorand Jaideep Dudani.

Värm och släpp

Tumörer, särskilt aggressiva, har ofta förhöjda proteasnivåer. Dessa enzymer hjälper tumörer att spridas genom att klyva proteiner som utgör den extracellulära matrisen, som normalt omger celler och håller dem på plats.

Under 2014, Bhatia och kollegor rapporterade att de använde nanopartiklar som interagerar med en typ av proteas som kallas matrismetalloproteinaser (MMP) för att diagnostisera cancer. I den studien, forskarna levererade nanopartiklar som bär peptider, eller korta proteinfragment, designad för att klyvas av MMP:erna. Om MMPs var närvarande, hundratals kluvna peptider skulle utsöndras i urinen, där de kunde upptäckas med ett enkelt papperstest som liknar ett graviditetstest.

I den nya studien, forskarna ville anpassa sensorerna så att de kunde rapportera om egenskaperna hos tumörer på en känd plats. Att göra det, de behövde se till att sensorerna bara producerade en signal från målorganet, opåverkad av bakgrundssignaler som kan produceras i blodomloppet. De designade först sensorer som kunde aktiveras med ljus när de nådde sitt mål. Det krävde användningen av ultraviolett ljus, dock, som inte tränger så långt in i vävnaden.

"Vi började fundera på vilken typ av energi vi skulle kunna använda som kunde tränga längre in i kroppen, säger Bhatia, som också är medlem i MIT:s Institute for Medical Engineering and Science.

För att uppnå det, Bhatia slog sig ihop med Anikeeva, som är specialiserad på att använda magnetfält för att fjärraktivera material. Forskarna bestämde sig för att inkapsla Bhatias proteasavkännande nanopartiklar tillsammans med magnetiska partiklar som värms upp när de utsätts för ett växlande magnetfält. Fältet produceras av en liten magnetisk spole som ändrar polaritet cirka en halv miljon gånger per sekund.

Det värmekänsliga materialet som kapslar in partiklarna sönderfaller när de magnetiska partiklarna värms upp, så att proteassensorerna kan frigöras. Dock, partiklarna producerar inte tillräckligt med värme för att skada närliggande vävnad.

"Det har varit utmanande att undersöka tumörspecifika proteasaktiviteter från patienternas biovätskor eftersom dessa proteaser också finns i blod och andra organ, " säger Ji Ho (Joe) Park, en docent i bio- och hjärnteknik vid Korea Advanced Institute of Science and Technology.

"Styrkan med detta arbete är de magnetotermiskt känsliga proteas nanosensorerna med spatiotemporal kontrollerbarhet, säger Park, som inte var involverad i forskningen. "Med dessa nanosensorer, MIT-forskarna skulle kunna analysera proteasaktiviteter involverade mer i tumörprogression genom att minska aktiveringen utanför målet avsevärt."

Att välja behandlingar

I en studie av möss, forskarna visade att de kunde använda dessa partiklar för att korrekt profilera olika typer av tjocktumörer baserat på hur mycket proteas de producerar.

Cancerbehandlingar baserade på proteaser, nu i kliniska prövningar, består av antikroppar som riktar sig mot ett tumörprotein men har "slöjor" som hindrar dem från att aktiveras innan de når tumören. Slöjorna klyvs av proteaser, så denna terapi skulle vara mest effektiv för patienter med höga proteasnivåer.

MIT-teamet undersöker också att använda denna typ av sensor för att avbilda cancerskador som sprider sig till levern från andra organ. Kirurgiskt att ta bort sådana skador fungerar bäst om det finns färre än fyra, så att mäta dem kan hjälpa läkare att välja den bästa behandlingen.

Bhatia säger att den här typen av sensorer kan anpassas till andra tumörer också, eftersom magnetfältet kan tränga djupt in i kroppen. Detta tillvägagångssätt skulle också kunna utökas till att ställa diagnoser baserade på att detektera andra typer av enzymer, inklusive de som skär sockerkedjor eller lipider.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.