Forskare från SUTD har utvecklat ett avancerat system för detektering av bröstcancerceller med förbättrad hastighet och känslighet, med hjälp av en viral mekanism för att förbättra verktygets avkänningsnoggrannhet.
I den globala kampen mot bröstcancer kan kraften hos diagnostiska verktyg betyda skillnaden mellan liv och död. Överlevnadsgraden för sjukdomen förbättras avsevärt när cancern upptäcks tidigt, medan upptäckt efter behandling är avgörande för att verifiera behandlingens effektivitet.
Biomarkörer är viktiga i cancerforskningens arsenal eftersom de underlättar tidig upptäckt och kan hjälpa till att indikera maligna celler efter behandling för att avgöra om det finns några spår av cancer kvar. Att uppnå akut känslighet är därför avgörande. Den relativa mängden cancerceller i fall i tidigt skede eller efter behandling är dock ofta mycket liten, vilket gör det svårt att upptäcka dem.
Docent Desmond Loke från Singapore University of Technology and Design (SUTD) föreslog en ny lösning på detta problem i en färsk artikel, "Shape complementarity processes for ultrashort-burst sensitive M13–PEG–WS2-powered MCF-7 cancer cell sensors, " publicerad i Nanoscale .
"Majoriteten av patienterna uppvisar inte symtom i de tidiga stadierna, och de befintliga diagnostiska teknikerna, som kan vara felaktiga, kostsamma och tidskrävande, involverar avbildningstester," förklarade Loke, projektets huvudutredare. "Målet med forskningen var att skapa en plattform som kan identifiera och behandla bröstcancer hos patienter innan de visar allvarliga symtom."
För att utveckla ett celldetekteringssystem med högsta möjliga känslighet ledde Loke ett forskarlag – bestående av medarbetare från SUTD och medarbetare från University College London och A*STAR – som använde verktyg i den minsta tänkbara skala och arbetade med nanomaterial. Den nuvarande teknologin för upptäckt av cancerceller är en digital biomolekylär sensor (DBS).
Mekanismen fungerar enligt följande:ett kemiskt igenkänningselement identifierar dessa molekyler och omvandlar deras interaktion till en digital signal som enkelt kan mätas och analyseras. Denna teknik är besläktad med ett högspecialiserat detektivverktyg på molekylär nivå, med förmågan att identifiera specifika biologiska mål, såsom cancercellsproteiner, och översätta den informationen till elektriska signaler som forskare kan använda för diagnostisk forskning eller övervakning.
Detta system är emellertid inte särskilt användbart för populationer med lågt cellantal. Forskargruppen antog ett nydesignat system som skulle ge högre känslighet med förbättring från ett starkt ledande nanomaterial med en sträng av viral fag som interagerar med specifika cancerceller.
För att förbättra systemet krävdes ett nytt 2D-nanomaterial med tillräckligt med elektrisk ledningsförmåga för att starkt interagera med cancercelltyper. Forskarna bestämde sig för volframdisulfid för dess höga ledningsförmåga och användning i fototransistorer och fototermisk terapi. De utrustade ark av volframdisulfid med en fagkombinerad polymer som fungerade som ett igenkänningselement för de bröstcancercelltyper som testas. Genom att integrera det virala medlet, eller den fagkombinerade polymeren, i nanomaterialet skapades ett nytt system som kallas fagbaserad DBS (P-DBS).
"För P-DBS-teknologin, när ett virus läggs till bröstcancercellprovet, kan virusets proteiner visa en hög specificitet för montering på bröstcancerceller. Det är dock möjligt att virusproteinet uppvisar en specificitet som är tillräckligt hög för att monteras på bröstcancerceller för ett mycket litet antal celler, vilket resulterar i ultrahög avkänningsnoggrannhet, säger Loke.
Bröstcancerceller studerades för detta projekt eftersom virala proteiner lätt samlas på sin yta, vilket möjliggör en smidigare förbindelse mellan P-DBS-biosensorplattformen och provcellerna. Enligt Loke möjliggör denna formkomplementaritetseffekt "ultraexakt provtagning, vilket är avgörande för tidig upptäckt av cancer och övervakning av sjukdomsprogression."
Fyra kriterier måste vara uppfyllda för att betrakta en biosensor som mycket effektiv i ett kliniskt sammanhang. Biosensorn måste (1) vara mycket känslig för förekomsten av cancercellsproteiner, (2) producera markant kontrast i utsignaler, (3) säkerställa hög cellviabilitet och (4) producera resultat inom den korta avläsningstid som är vanlig i kliniska tillämpningar .
P-DBS kontrollerade alla rutorna, med rimlig känslighet. Den nya tekniken kunde identifiera cancercellsnärvaro i prover som var ungefär 74 % mindre än de typiska cellgruppsstorlekarna för andra elektriskt baserade cancercellssensorer. P-DBS överträffade även andra elektriskt baserade cancersensorer när det gäller signalkontrast med 58 %.
Dessa imponerande resultat kan tillskrivas specificiteten hos det virala proteinet, som forskarna visade skulle samlas på även det minsta antalet bröstcancerceller och därför indikera förekomsten av cancer även i dess tidiga skeden.
"Skapandet av den virusdrivna plattformen för 2D materialsensorer kan representera ett betydande framsteg i kampen mot bröstcancer. Om resultaten bekräftas i framtida kliniska studier kan denna sensor bli ett värdefullt korrekt verktyg för att identifiera bröstcancer i dess tidiga skeden ", tillade Loke.
Genom ytterligare forskning hoppas han kunna bekräfta att P-DBS-systemet är allmänt tillämpbart över olika typer av bröstcancerceller. Den innovativa biosensorplattformen kan vara betydelsefull för tidig cancerdiagnos och övervakning, vilket visar en lovande väg inom biomolekylära sensorer i nanoskala.
Mer information: Maria P. Meivita et al, Formkomplementaritetsprocesser för ultrashort burst-känsliga M13–PEG–WS2-drivna MCF-7 cancercellssensorer, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR03573E
Journalinformation: Nanoskala
Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design
