En produkt i nanoskala av mänskliga celler som en gång ansågs vara skräp är nu känd för att spela en viktig roll i intercellulär kommunikation och i många sjukdomsprocesser, inklusive cancermetastaser. Forskare vid Penn State har utvecklat nanosonder för att snabbt isolera dessa sällsynta markörer, kallas extracellulära vesiklar (EVs), för potentiell utveckling av precisionscancerdiagnoser och personliga anticancerbehandlingar.

"De flesta celler genererar och utsöndrar extracellulära vesiklar, säger Siyang Zheng, docent i biomedicinsk teknik och elektroteknik. "Men de är svåra för oss att studera. De är submikrometer partiklar, så vi behöver verkligen ett elektronmikroskop för att se dem. Det finns många tekniska utmaningar i isoleringen av elbilar i nanoskala som vi försöker övervinna för cancerdiagnostik."

På samma gång, forskare trodde att elbilar var lite mer än soppåsar som slängdes ut av celler. På senare tid, de har förstått att dessa små fettinneslutna säckar – lipider – innehåller dubbelsträngat DNA, RNA och proteiner som är ansvariga för att kommunicera mellan celler och kan bära markörer för deras ursprungsceller, inklusive tumörceller. När det gäller cancer, åtminstone en funktion för elbilar är att förbereda fjärrvävnad för metastasering.

Teamets första utmaning var att utveckla en metod för att isolera och rena elbilar i blodprover som innehåller flera andra komponenter. Användning av flytande biopsi, eller blodprov, för cancerdiagnos är en ny utveckling som erbjuder fördelar jämfört med traditionell biopsi, vilket kräver att man tar bort en tumör eller sticker in en nål i en tumör för att extrahera cancerceller. För lungcancer eller hjärncancer, sådana invasiva tekniker är svåra, dyrt och kan vara smärtsamt.

"Icke-invasiva tekniker som flytande biopsi är att föredra för inte bara upptäckt och upptäckt, men också för att övervaka behandlingen, " säger Chandra Belani, professor i medicin och biträdande chef för Cancerinstitutet, Penn State College of Medicine, och klinisk samarbetspartner i studien.

"Vi uppfann ett system med två mikro/nanomaterial, " Zheng säger. "En är en märkningsprob med två lipidsvansar som spontant sätter in i lipidytan av den extracellulära vesikeln. I andra änden av sonden har vi en biotinmolekyl som kommer att kännas igen av en avidinmolekyl som vi har fäst vid en magnetisk pärla."

De ytmodifierade magnetiska pärlorna är 400 till 500 nanometer i diameter och märkningssonderna är i storleksordningen 10 nanometer. När systemet är optimerat, forskarna kan isolera elbilarna från blodplasmaprover på cirka 15 minuter. Elbilarna och deras innehåll kan sedan analyseras i en labbmiljö eller skickas till ett kommersiellt diagnostiskt labb för att karakterisera DNA, RNA och proteiner.

I en tidning publicerad online idag, 10 april, och som omslagsartikel för april i Nature Biomedicinsk teknik , huvudförfattare Yuan Wan, en postdoktor i Zhengs labb, beskriver användningen av nanosonderna för att fånga elbilar från blodplasman hos 19 patienter med icke-småcellig lungcancer.

"Hjälpt med detta nya tillvägagångssätt, Vi har framgångsrikt isolerat elbilar från 19 patienter med avancerad lungcancer och identifierat DNA-mutationer som kan vägleda precisionsterapi istället för rutinmässig kemoterapi, " säger Wan. "Från att samla blod till att erhålla EV-deriverat DNA, hela proceduren kan slutföras inom en timme. Det kräver bara en magnet och en gemensam bänkcentrifug. Jämfört med vanliga metoder, nanosondsystemet skulle avsevärt underlätta klinisk laboratorieundersökning."

Eftersom tekniken bara kräver material och en extern magnet, det är relativt billigt och snabbt jämfört med den nuvarande guldstandarden för separation, kallas ultracentrifugering, som kräver dyr utrustning och tar timmar att färdigställa.

När den väl har validerats i en större studie, Zheng och Belani tror att denna teknik inte bara kan tillämpas på lungcancer utan också på de flesta om inte alla solida tumörer, som är ansvariga för 80-90 procent av dödsfallen i cancer.

"Sekvensering av DNA isolerat från elbilarna kommer att fungera som ett lovande verktyg för att spåra cancerutveckling och övervaka tumördynamiken med det slutliga målet att förbättra canceröverlevnaden, " avslutar Belani.