Genom att använda en ny teknik som utvecklats vid MIT kan det bli lika enkelt att diagnostisera lungcancer som att andas in nanopartikelsensorer och sedan ta ett urintest som avslöjar om det finns en tumör.
Den nya diagnostiken är baserad på nanosensorer som kan levereras av en inhalator eller en nebulisator. Om sensorerna stöter på cancerkopplade proteiner i lungorna producerar de en signal som ackumuleras i urinen, där den kan detekteras med en enkel papperstestremsa.
Detta tillvägagångssätt kan potentiellt ersätta eller komplettera den nuvarande guldstandarden för diagnos av lungcancer, lågdosdatortomografi (CT). Det kan ha en särskilt betydande inverkan i låg- och medelinkomstländer som inte har utbredd tillgång till CT-skannrar, säger forskarna.
Runt om i världen kommer cancer att bli mer och mer utbredd i låg- och medelinkomstländer. Epidemiologin för lungcancer globalt är att den drivs av föroreningar och rökning, så vi vet att det är miljöer där tillgång till denna typ av teknik kan ha en stor inverkan", säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och i elektroteknik och datavetenskap vid MIT, och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Teknik och vetenskap.
Bhatia är seniorförfattaren till tidningen, som finns i Science Advances . Qian Zhong, en MIT-forskare, och Edward Tan, en före detta postdoc vid MIT, är huvudförfattarna till studien.
För att hjälpa till att diagnostisera lungcancer så tidigt som möjligt rekommenderar U.S. Preventive Services Task Force att storrökare över 50 år genomgår en årlig datortomografi. Det är dock inte alla i denna målgrupp som får dessa skanningar, och den höga andelen falskt positiva skanningar kan leda till onödiga, invasiva tester.
Bhatia har ägnat det senaste decenniet åt att utveckla nanosensorer för att diagnostisera cancer och andra sjukdomar, och i denna studie undersökte hon och hennes kollegor möjligheten att använda dem som ett mer tillgängligt alternativ till CT-screening för lungcancer.
Dessa sensorer består av polymer-nanopartiklar belagda med en reporter, till exempel en DNA-streckkod, som klyvs från partikeln när sensorn möter enzymer som kallas proteaser, som ofta är överaktiva i tumörer. Dessa reportrar ackumuleras så småningom i urinen och utsöndras från kroppen.
Tidigare versioner av sensorerna, som riktade sig till andra cancerställen som lever och äggstockar, var designade för att ges intravenöst. För diagnostisering av lungcancer ville forskarna skapa en version som kunde inhaleras, vilket kan göra det lättare att distribuera i lägre resursinställningar.
"När vi utvecklade den här tekniken var vårt mål att tillhandahålla en metod som kan upptäcka cancer med hög specificitet och känslighet, och även sänka tröskeln för tillgänglighet, så att vi förhoppningsvis kan förbättra resursskillnaderna och ojämlikheten vid tidig upptäckt av lungcancer, " säger Zhong.
För att uppnå det skapade forskarna två formuleringar av sina partiklar:en lösning som kan aerosoliseras och levereras med en nebulisator, och ett torrt pulver som kan tillföras med en inhalator.
När partiklarna väl når lungorna absorberas de i vävnaden, där de möter eventuella proteaser som kan finnas. Mänskliga celler kan uttrycka hundratals olika proteaser, och några av dem är överaktiva i tumörer, där de hjälper cancerceller att fly från sina ursprungliga platser genom att skära igenom proteiner i den extracellulära matrisen.
Dessa cancerproteaser klyver DNA-streckkoder från sensorerna, vilket gör att streckkoderna kan cirkulera i blodomloppet tills de utsöndras i urinen.
I de tidigare versionerna av denna teknik använde forskarna masspektrometri för att analysera urinprovet och detektera DNA-streckkoder. Men masspektrometri kräver utrustning som kanske inte är tillgänglig i områden med låga resurser, så för den här versionen skapade forskarna en sidoflödesanalys, som gör att streckkoderna kan detekteras med hjälp av en papperstestremsa.
Forskarna designade remsan för att upptäcka upp till fyra olika DNA-streckkoder, som var och en indikerar närvaron av ett annat proteas. Ingen förbehandling eller bearbetning av urinprovet krävs, och resultaten kan avläsas cirka 20 minuter efter att provet tagits.
"Vi drev verkligen den här analysen för att vara tillgänglig i en miljö med låga resurser, så tanken var att inte göra någon provbearbetning, inte göra någon amplifiering, bara för att kunna lägga provet rätt på papperet och läs upp den på 20 minuter", säger Bhatia.
Forskarna testade sitt diagnostiska system på möss som är genetiskt modifierade för att utveckla lungtumörer som liknar de som ses hos människor. Sensorerna administrerades 7,5 veckor efter att tumörerna började bildas, en tidpunkt som sannolikt skulle korrelera med cancer i stadium 1 eller 2 hos människor.
I sin första uppsättning experiment med mössen, mätte forskarna nivåerna av 20 olika sensorer utformade för att detektera olika proteaser. Med hjälp av en maskininlärningsalgoritm för att analysera dessa resultat identifierade forskarna en kombination av bara fyra sensorer som förutspåddes ge korrekta diagnostiska resultat. De testade sedan den kombinationen i musmodellen och fann att den exakt kunde detektera lungtumörer i tidiga skeden.
För användning på människor är det möjligt att fler sensorer kan behövas för att göra en korrekt diagnos, men det kan uppnås genom att använda flera pappersremsor, som var och en upptäcker fyra olika DNA-streckkoder, säger forskarna.
Forskarna planerar nu att analysera humana biopsiprover för att se om sensorpanelerna de använder också skulle fungera för att upptäcka cancer hos människor. På längre sikt hoppas de kunna utföra kliniska prövningar på mänskliga patienter. Ett företag som heter Sunbird Bio har redan kört fas I-studier på en liknande sensor som utvecklats av Bhatias labb, för användning för att diagnostisera levercancer och en form av hepatit som kallas alkoholfri steatohepatit (NASH).
I delar av världen där det finns begränsad tillgång till CT-skanning kan denna teknik erbjuda en dramatisk förbättring av lungcancerscreening, särskilt eftersom resultaten kan erhållas under ett enda besök.
"Tanken skulle vara att du kommer in och då får du svar på om du behöver ett uppföljningstest eller inte, och vi kan få in patienter som har tidiga lesioner i systemet så att de kan få botande kirurgi eller livräddande mediciner." säger Bhatia.
Mer information: Qian Zhong et al, Inhalable point-of-care urindiagnostisk plattform, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj9591. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9591
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
