Cancerpatienter som genomgår riktad behandling kan se fram emot ett nytt blodprov som kan berätta för deras läkare om behandlingen fungerar, inom en dag efter påbörjad behandling. Detta kommer avsevärt att påskynda utvärderingsprocessen och göra det möjligt för läkare att göra justeringar av behandlingsplanen, om nödvändigt, för att förbättra patienternas chanser att återhämta sig.

Till skillnad från konventionella kemoterapier som stör alla snabbt delande celler och kan orsaka omfattande skador på celler, riktade läkemedel attackerar specifika molekyler som instruerar cancerceller att växa och spridas och i sin tur, blockera den onormala tillväxten av cancern. Trots den specifika karaktären hos riktade läkemedel, nuvarande kliniska utvärdering av deras behandling i solida tumörer bygger i första hand på antingen tumörvolymetrisk avbildning, som är okänslig och försenad, eller invasiva vävnadsbiopsier.

Biträdande professor Shao Huilin och hennes forskargrupp från Institutionen för biomedicinsk teknik och Institutet för hälsoinnovation och teknologi (iHealthtech) vid National University of Singapore (NUS) har utvecklat en teknik som är korrekt, mindre invasiv och avsevärt förflyttar utvärderingsfönstret, genom att använda flytande biopsier.

Framgångsfrekvens tillgänglig inom 24 timmar efter cancerbehandling

Tekniken, så kallad extracellulär vesikelövervakning av kemisk beläggning av små molekyler och proteinuttryck (ExoSCOPE), är den första i sitt slag i världen. Det drar fördel av extracellulära vesiklar (EV) som utsöndras av cancerceller och cirkulerar i blodet som en reflekterande indikator på läkemedelseffektivitet i solida tumörer.

"Konventionella procedurer som tumöravbildning är inte bara dyra utan också försenade. För dessa metoder, behandlingseffektivitet kan fastställas först efter veckor. Med hjälp av ExoSCOPE, vi kan direkt mäta resultatet av läkemedelseffektiviteten inom 24 timmar efter behandlingens start. Detta kommer att avsevärt minska tiden och kostnaderna för övervakning av cancerbehandling, " sa den ledande forskaren Asst Prof Shao.

Tillade hon, "Denna metod kräver bara en liten mängd blodprov för analysen och varje test tar mindre än en timme att slutföra. Så, den är mindre invasiv och ändå mer informativ. På det här sättet, läkare skulle kunna övervaka en patients svar på behandlingen mer regelbundet under behandlingens gång, och gör snabba justeringar för att anpassa behandlingen för bättre resultat."

Forskningen publicerades först i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Känslig mätning av läkemedelsinteraktioner

För att uppnå känslig och snabb analys av läkemedlets effektivitet genom blodprover, NUS forskarteam utvecklade ExoSCOPE som en integrerad nanoteknologiplattform. Den mäter elbilar, som är membranvesiklar av dimension som är minst hundra gånger mindre än diametern på människohår och osynliga under konventionell ljusmikroskopi. Under framgångsrik cancerbehandling, när ett riktat cancerläkemedel fäster till en cancercell och stör tumörtillväxt, den behandlade cellen kommer att släppa ut i blodomloppet elbilar som innehåller läkemedlet.

ExoSCOPE-plattformen utnyttjar en kompletterande strategi för kemisk biologi och sensorutveckling för att mäta dessa känsliga läkemedelsförändringar i elbilar.

"Nuvarande teknologier för att mäta interaktioner mellan läkemedel och mål kräver komplex bearbetning och invasiva vävnadsbiopsier, begränsar deras kliniska användbarhet för övervakning av cancerbehandling. Genom att använda specialdesignade kemiska sonder, vår plattform är mycket känslig för att fånga och märka elbilar i ett litet blodprov för att bedöma interaktioner mellan läkemedel och mål, " sa Dr Sijun Pan, Forskningsstipendiat från NUS iHealthtech, och medförsta författare till studien.

"ExoSCOPE-sensorn innehåller miljontals guldnanorer för att fånga elbilarna och förstärka deras läkemedelsmärkningssignaler för att inducera starka ljussignaler. Dessa ljussignaler bearbetas sedan för att ge en avläsning för att indikera läkemedelseffektivitet, sade Zhang Yan, en doktorand från NUS Institutionen för biomedicinsk teknik och iHealthtech, och medförsta författare till studien.

Med hjälp av den utvecklade ExoSCOPE-plattformen, teamet samlade in information om olika typer av elbilar och deras drogförändringar, när de behandlas med olika riktade terapier. Plattformen identifierar inte bara cancerfrisatta elbilar, men övervakar också deras läkemedelsdynamik över tid för att exakt särskilja behandlingskänslighet och resistens.

"Befintliga farmakokinetiska eller farmakodynamiska metoder för blod mäter den totala läkemedelskoncentrationen i blodet. Denna ensembleinformation återspeglar inte läkemedlets effektivitet i tumörer. ExoSCOPE, dock, mäter läkemedelsförändringar i cancerfrisatta elbilar för att exakt återspegla tumörbehandlingssvar, " förklarade biträdande professor Shao.

Uppmuntrande resultat från kliniska studier

I en klinisk prövning som involverade 163 blodprover från 106 patienter, ExoSCOPE har visat uppmuntrande resultat på lungcancerpatienter för att möjliggöra snabb utvärdering av patienters målinriktade behandlingsresultat. Jämfört med guldstandarden för tumörvolymetrisk avbildning, som utfördes i slutet av hela behandlingsregimen, ExoSCOPE uppnådde en noggrannhetsgrad på 95 procent, men inom 24 timmar efter behandlingsstart.

Denna tekniks överlägsna analytiska prestanda banar väg för användning av blodburna elbilar för att övervaka olika interaktioner mellan läkemedel och proteinmål i människokroppen.

"ExoSCOPE presenterar ett paradigmskifte i blodbaserad läkemedelsutvärdering för riktat läkemedelsval och behandlingsövervakning i realtid, ", sa Asst Prof Shao. "Tekniken kan också ge det kliniska samhället möjlighet att fatta mer lägliga behandlingsbeslut."

Nästa steg

NUS-teamet med nio medlemmar tog två år (från 2019 till 2021) att utveckla och validera ExoSCOPE-plattformen. Deras nästa utmaning är att utöka plattformen för att mäta effektiviteten av olika läkemedel och tillämpa tekniken på ett spektrum av sjukdomar från cancer till hjärt- och kärlsjukdomar och neurologiska sjukdomar. Ett patent har lämnats in för ExoSCOPE och NUS-teamet hoppas kunna ta ut denna teknik på marknaden under de kommande tre åren.

"Jag hoppas att vår teknik kan bidra till personlig behandling, för att vägleda valet, dosering och varaktighet för olika behandlingar, och förbättra behandlingsresultat, " sa Asst Prof Shao.