Ett enkelt och känsligt urintest utvecklat av Imperial och MIT-ingenjörer har producerat en färgförändring i urinen för att signalera växande tumörer hos möss.

Verktyg som upptäcker cancer i tidiga skeden kan öka patienternas överlevnad och livskvalitet. Dock, cancerscreeningsmetoder kräver ofta dyr utrustning och resor till kliniken, vilket kanske inte är genomförbart på landsbygden eller i utvecklingsområden med liten medicinsk infrastruktur.

Det framväxande området för point-of-care diagnostik arbetar därför med billigare, snabbare, och enklare att använda tester. Ett par internationella ingenjörslaboratorier förespråkar detta tillvägagångssätt och har utvecklat ett verktyg som ändrar färgen på musurin när tjocktarmscancer, även känd som tarmcancer, är närvarande.

Resultaten publiceras i Naturens nanoteknik .

Tekniken i det tidiga skedet, utvecklat av team ledda av Imperials professor Molly Stevens och MIT:s professor Sangeeta Bhatia, fungerar genom att injicera nanosensorer i möss, som skärs upp av enzymer som frisätts av tumörer som kallas proteaser.

När nanosensorerna bryts upp av proteaser, de passerar genom njuren, och kan ses med blotta ögat efter ett urinprov som ger en blå färgförändring.

Forskarna tillämpade denna teknik på möss med tjocktarmscancer, och fann att urin från tumörbärande möss blir klarblått, i förhållande till testprov tagna från friska möss.

Professor Stevens, av Imperials avdelningar för material och bioteknik, sa:"Genom att dra fördel av denna kemiska reaktion som ger en färgförändring, detta test kan administreras utan behov av dyra och svåranvända labbinstrument.

"Den enkla avläsningen skulle potentiellt kunna fångas av en smartphone-bild och överföras till avlägsna vårdgivare för att koppla patienter till behandling."

Känner av signaler

När tumörer växer och sprider sig, de producerar ofta biologiska signaler kända som biomarkörer som läkare använder för att både upptäcka och spåra sjukdomar.

En familj av tumörenzymer som kallas matrismetalloproteinaser (MMP) hjälper till att främja tillväxt och spridning av tumörer genom att "tugga upp" vävnadsställningarna som normalt håller cellerna på plats.

Många cancertyper, inklusive kolontumörer, producera höga nivåer av flera MMP-enzymer, inklusive en som heter MMP9.

I den här studien, Imperial-MIT-teamet utvecklade nanosensorer där ultrasmå guldnanokluster (AuNCs) kopplades till en proteinbärare som heter neutravidin, genom linkers som bryts av MMP9s

För att utveckla det färgskiftande urintestet, forskarna använde två AuNC-egenskaper - deras mycket små ( <2 nanometer) storlek, och deras förmåga att orsaka en blå färgförändring när de behandlas med ett kemiskt substrat och väteperoxid.

Forskarna designade AuNC-proteinkomplexen för att demonteras efter att ha skurits av MMPs i tumörmiljön eller blod. När de bryts isär, de frigjorda AuNCs färdas via blodet till njurarna, där de är tillräckligt små för att filtreras genom och in i urinen.

Hos friska möss utan höga MMP-nivåer, komplexen förblir intakta, och är för stora för att passera ut i urinen. Om AuNCs har koncentrerats i urinen, ett kemiskt test kommer att ge en blå färgförändring som är synlig med blotta ögat.

För denna studie, forskarna utvecklade sensorer som skärs isär av särskilda MMP:er och testade dem på möss. Forskarna visade att deras färgförändringstest exakt kunde detektera vilka urinprover som kom från möss med kolontumörer i en studie av 28 möss injicerade med sensorerna, där 14 möss var friska och 14 hade kolontumörer.

Inom en halvtimme efter den kemiska behandlingen, endast urinen från möss med kolontumörer hade en stark blå färg. Däremot urin från de friska kontrollmössen uppvisade ingen färgförändring.

Teamet designade också AuNC-ytorna för att bli "osedda" av immunsystemet för att förhindra immunreaktioner eller toxiska biverkningar, och för att förhindra att rikligt med serumproteiner fastnar på dem, vilket skulle göra nanosensorerna för stora för att filtreras av njurarna.

Under en fyra veckors uppföljning efter administrering av nanosensor, mössen visade inga tecken på biverkningar, och det fanns inga bevis för att protein-sensorkomplexet eller fria AuNCs dröjde kvar i mössens kroppar.

Co-första författare Dr. Colleen Loynachan, från Imperials avdelning för material, sa:"AuNCs liknar material som redan används på kliniken för att avbilda tumörer, men här utnyttjar vi deras unika egenskaper för att ge oss ytterligare information om sjukdomar. Dock, Det återstår fortfarande mycket optimering och testning innan tekniken kan gå bortom labbet."

Tillgänglig diagnostik

Nästa, teamet kommer att arbeta för att öka specificiteten och känsligheten hos sensorerna genom att testa dem i fler djurmodeller för att undersöka diagnostisk noggrannhet och säkerhet.

Medförfattare Ava Soleimany, från MIT, sa:"Proteaser spelar funktionella roller i ett antal sjukdomar som cancer och infektionssjukdomar. Genom att designa versioner av våra sensorer som kan skäras av olika proteaser, vi skulle kunna använda detta färgbaserade test för att upptäcka en mängd olika förhållanden."

Forskarna arbetar nu med en formulering som är lättare att administrera, och identifiera sätt att göra sensorerna känsliga för flera biomarkörer för att skilja mellan cancer och andra sjukdomar.