De flesta av de tester som läkare använder för att diagnostisera cancer - som mammografi, koloskopi, och CT-skanningar – baseras på bildbehandling. På senare tid, Forskare har också utvecklat molekylär diagnostik som kan upptäcka specifika cancerrelaterade molekyler som cirkulerar i kroppsvätskor som blod eller urin.

MIT-ingenjörer har nu skapat en ny diagnostisk nanopartikel som kombinerar båda dessa egenskaper:Den kan avslöja förekomsten av cancerproteiner genom ett urintest, och det fungerar som ett avbildningsmedel, lokalisering av tumören. I princip, denna diagnostik kan användas för att upptäcka cancer var som helst i kroppen, inklusive tumörer som har metastaserat från sina ursprungliga platser.

"Det här är en riktigt bred sensor avsedd att svara på både primära tumörer och deras metastaser. Den kan utlösa en urinsignal och även tillåta oss att visualisera var tumörerna är, " säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap vid MIT och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science.

I en ny studie, Bhatia och hennes kollegor visade att diagnostiken kunde användas för att övervaka utvecklingen av tjocktarmscancer, inklusive spridning av metastaserande tumörer till lungan och levern. Så småningom, de hoppas att det kan utvecklas till ett rutinmässigt cancertest som kan utföras årligen.

Bhatia är senior författare till studien, som visas idag i Naturmaterial . Uppsatsens huvudförfattare är MIT-forskaren Liangliang Hao.

Lokalisera tumörer

Under de senaste åren, Bhatia har utvecklat cancerdiagnostik som fungerar genom att generera syntetiska biomarkörer som lätt kan upptäckas i urinen. De flesta cancerceller uttrycker enzymer som kallas proteaser, som hjälper dem att fly från sina ursprungliga platser genom att skära igenom proteiner i den extracellulära matrisen. Bhatias cancerupptäckande nanopartiklar är belagda med peptider som klyvs av dessa proteaser. När dessa partiklar möter en tumör, peptiderna spjälkas och utsöndras i urinen, där de lätt kan upptäckas. I djurmodeller av lungcancer, dessa biomarkörer kan upptäcka förekomsten av tumörer tidigt; dock, de avslöjar inte den exakta platsen för tumören eller om tumören har spridit sig utanför sitt ursprungsorgan.

Bygger på sina tidigare ansträngningar, MIT-forskarna ville utveckla vad de kallar en "multimodal" diagnostik, som kan utföra både molekylär screening (upptäcka urinsignalen) och avbildning, att berätta exakt var den ursprungliga tumören och eventuella metastaser finns.

För att modifiera partiklarna så att de också kan användas för PET-avbildning, forskarna lade till ett radioaktivt spårämne som heter koppar-64. De belade dem också med en peptid som attraheras av sura miljöer, såsom mikromiljön i tumörer, för att få partiklarna att ackumuleras vid tumörställen. När de väl når en tumör, dessa peptider sätter in sig själva i cellmembran, skapar en stark bildsignal ovanför bakgrundsbrus.

Forskarna testade de diagnostiska partiklarna i två musmodeller av metastaserad tjocktarmscancer, där tumörceller reser till och växer i levern eller lungorna. Efter behandling med ett kemoterapiläkemedel som vanligtvis används för att behandla tjocktarmscancer, forskarna kunde använda både urinsignalen och avbildningsmedlet för att spåra hur tumörerna svarade på behandlingen.

Forskarna fann också att leverans av koppar-64 med sina nanopartiklar ger en fördel jämfört med den strategi som vanligtvis används för PET-avbildning. PET-spårämnet, känd som FDG, är en radioaktiv form av glukos som tas upp av metaboliskt aktiva celler, inklusive cancerceller. Dock, hjärtat genererar en ljus PET-signal när det utsätts för FDG, och den signalen kan skymma svagare signaler från närliggande lungtumörer. Att använda syrakänsliga nanopartiklar för att ackumulera koppar-64 i tumörmiljön ger en mycket tydligare bild av lungtumörer, fann forskarna.

Mot cancerscreening

Om det är godkänt för användning på mänskliga patienter, Bhatia föreställer sig att denna typ av diagnostik kan vara användbar för att utvärdera hur väl patienter svarar på behandling, och för långtidsövervakning av tumörrecidiv eller metastaser, speciellt för tjocktarmscancer.

"Dessa patienter kunde övervakas med urinversionen av testet var sjätte månad, till exempel. Om urinprovet är positivt, de kunde följa upp med en radioaktiv version av samma medel för en avbildningsstudie som kunde indikera var sjukdomen hade spridit sig. Vi tror också att regleringsvägen kan påskyndas med båda testsätten med en enda formulering, säger Bhatia.

På längre sikt, hon hoppas att den här tekniken kan användas som en del av ett diagnostiskt arbetsflöde som kan ges med jämna mellanrum för att upptäcka alla typer av cancer.

"Visionen är att du kan använda detta i ett screeningparadigm - ensamt eller i kombination med andra tester - och vi skulle tillsammans kunna nå patienter som inte har tillgång till kostsam screeninginfrastruktur idag, ”, säger hon. ”Varje år kan du få ett urinprov som en del av en allmän kontroll. Du skulle göra en bildundersökning endast om urintestet blir positivt för att sedan ta reda på var signalen kommer ifrån. Vi har mycket mer att göra med vetenskapen för att nå dit, men det är dit vi vill gå på sikt."

Glympse Bio, ett företag som grundades av Bhatia, har utfört kliniska fas 1-prövningar av en tidigare version av urindiagnostiska partiklar och funnit att de är säkra för patienter.