Fabien Pinauds stora vision för att behandla cancerhem i de minsta målen.

Tillsammans med ett team av forskare, han skapade en ny hybrid nano-sond som kunde leda till icke-invasiv upptäckt och behandling av sjukdomen på nivån av en enda cell.

Pinaud, biträdande professor i biologiska vetenskaper, kemi och fysik och astronomi vid USC Dornsife, utvecklat en metod för att förstärka en biokemisk signal på ytan av cancerceller.

Den nya tekniken binder och sätter ihop guldnanopartiklar i levande celler med hjälp av två fragment av ett fluorescerande protein som "molekylärt lim". Dessa små sonder fungerar som förstärkare, förbättra forskarnas förmåga att upptäcka distinkta biomarkörer – saker som överuttryckta eller muterade proteiner – som finns i cancerceller.

Den förstärkta signalen gör det möjligt för forskarna att skilja cancerceller från friska celler genom att använda Raman-spektroskopi - en specialiserad laseravbildningsteknik.

"Vårt tillvägagångssätt drar fördel av det faktum att vi har två olika nanopartiklar som, själva, inte är aktiva, men som blir aktiva när de samlas på cancerceller, sa Pinaud, principiell utredare för Single Molecule Biophotonics Group och medförfattare till en relaterad studie, publicerad 9 februari in Naturkommunikation .

Rätt i mål

Att använda "molekylärt lim" för att designa nya nanosonder är vanlig praxis inom biomedicinsk forskning idag, men de flesta forskare bygger dessa med DNA snarare än protein. Samtidigt som lovande optiska sonder genereras med hjälp av DNA-enheter i provrör, DNA är inte ett praktiskt bindemedel i levande celler. Proteiner är ofta bättre.

Pinaud och hans team börjar med ett fluorescerande protein, en som lyser när ultraviolett-blått ljus lyser på den. Det fluorescerande proteinet delas i två fragment och varje bit är fäst vid en uppsättning guldnanopartiklar. Båda uppsättningarna av nanopartiklar noll-in på celler och binder specifikt till biomarkörer på cellytan. När nanopartiklarna kolliderar på en cancercell, proteinfragmenten återförenas naturligt till hela det fluorescerande proteinet.

Omstruktureringsprocessen ger två fördelar. Först, aktiveringen av en ny biokemisk signal i det fluorescerande proteinet förstärks massivt av nanopartiklarna, vilket möjliggör detektering genom Raman-avbildning.

Andra, värme och ultraljud produceras när lasern träffar nanopartiklarna, och det kan mätas med ultraljudsdetektorer. Denna dubbla effekt ger hög förtroende för att en upptäckt cell faktiskt är cancerös och inte en falsk-positiv signal från en frisk cell.

Forskare kommer härnäst att undersöka möjligheten att förstöra enskilda cancerceller, samtidigt som friska celler lämnas oskadda, genom att använda lasern för att värma upp nanopartiklarna. "Att gå från bildbehandling till att döda celler handlar bara om att vrida på knappen på lasern som du använder, sa Pinaud.

Nyfikenhet föder konvergens

Pinaud genomförde forskningen med sin tidigare doktorand och medförfattare, Tuğba Köker, Ph.D. Efter att ha utbildat sig till biolog i Turkiet, Köker läste en artikel publicerad av Pinaud 2011 som lade grunden för denna fluorescerande proteinforskning. Hon mailade honom om möjligheten att arbeta tillsammans i projektet som en del av hennes forskarutbildning.

"Jag var på planet nästa vecka, sa Köker.

Hon minns dagen då hon fick de första labbbilderna som visar deras experiments framgång. "Jag kunde inte tro det. Det var genombrottsögonblicket."

Medan Pinaud var upphetsad, hon sa att han också var skeptisk. "Det är så Fabien är. Han vill alltid ha mer säkerhet."