Koristeći novu tehnologiju razvijenu na MIT-u, dijagnosticiranje raka pluća moglo bi postati lako kao udisanje senzora nanočestica, a zatim uzimanje testa urina koji otkriva da li je tumor prisutan.
Nova dijagnostika se zasniva na nanosenzorima koji se mogu isporučiti pomoću inhalatora ili nebulizatora. Ako senzori naiđu na proteine povezane sa rakom u plućima, oni proizvode signal koji se akumulira u urinu, gde se može otkriti jednostavnom papirnom test trakom.
Ovaj pristup bi potencijalno mogao da zameni ili dopuni trenutni zlatni standard za dijagnostiku raka pluća, kompjuterizovanu tomografiju niskih doza (CT). To bi moglo imati posebno značajan uticaj u zemljama sa niskim i srednjim prihodima koje nemaju široko rasprostranjenu dostupnost CT skenera, kažu istraživači.
„Širom sveta, rak će postati sve više rasprostranjeniji u zemljama sa niskim i srednjim prihodima. Epidemiologija raka pluća na globalnom nivou je da ga pokreću zagađenje i pušenje, tako da znamo da su to okruženja u kojima je dostupnost ove vrste tehnologija bi mogla imati veliki uticaj“, kaže Sangeeta Bhatia, profesor zdravstvenih nauka i tehnologije Džona i Doroti Vilson i elektrotehnike i računarskih nauka na MIT-u, i član MIT-ovog Koh instituta za integrativno istraživanje raka i Instituta za medicinu inženjerstvo i nauka.
Bhatia je stariji autor rada, koji se pojavljuje u Science Advances. Kian Zhong, naučnik MIT-a, i Edvard Tan, bivši postdoktor MIT-a, vodeći su autori studije.
Da bi se karcinom pluća dijagnostikovao što je ranije moguće, Radna grupa za preventivne usluge SAD preporučuje da se teškim pušačima starijim od 50 godina podvrgne godišnjem CT skeniranju. Međutim, ne primaju svi u ovoj ciljnoj grupi ove snimke, a visoka stopa lažno pozitivnih skeniranja može dovesti do nepotrebnih, invazivnih testova.
Bhatia je provela poslednju deceniju razvijajući nanosenzore za upotrebu u dijagnostici raka i drugih bolesti, a u ovoj studiji, ona i njene kolege istražile su mogućnost njihovog korišćenja kao pristupačnije alternative CT skriningu za rak pluća.
Ovi senzori se sastoje od polimernih nanočestica obloženih reporterom, kao što je DNK bar kod, koji se odvaja od čestice kada senzor naiđe na enzime zvane proteaze, koji su često preaktivni u tumorima. Ti reporteri se na kraju nakupljaju u urinu i izlučuju se iz tela.
Prethodne verzije senzora, koje su ciljale na druga mesta raka, kao što su jetra i jajnici, dizajnirane su da se daju intravenozno. Za dijagnozu raka pluća, istraživači su želeli da stvore verziju koja bi se mogla udahnuti, što bi moglo olakšati primenu u postavkama sa nižim resursima.
„Kada smo razvili ovu tehnologiju, naš cilj je bio da obezbedimo metod koji može da otkrije rak sa visokom specifičnošću i osetljivošću, a takođe i snizi prag pristupačnosti, tako da se nadamo da možemo poboljšati disparitet resursa i nejednakost u ranom otkrivanju raka pluća, “, kaže Zhong.
Da bi to postigli, istraživači su kreirali dve formulacije svojih čestica: rastvor koji se može raspršiti i isporučiti nebulizatorom i suvi prah koji se može isporučiti pomoću inhalatora.
Jednom kada čestice stignu do pluća, apsorbuju se u tkivo, gde nailaze na bilo kakve proteaze koje mogu biti prisutne. Ljudske ćelije mogu da eksprimiraju stotine različitih proteaza, a neke od njih su preaktivne u tumorima, gde pomažu ćelijama raka da pobegnu sa svojih prvobitnih lokacija presecanjem proteina ekstracelularnog matriksa.
Ove kancerogene proteaze cepaju DNK barkodove sa senzora, omogućavajući barkodovima da cirkulišu u krvotoku dok se ne izluče urinom.
U ranijim verzijama ove tehnologije, istraživači su koristili masenu spektrometriju za analizu uzorka urina i otkrivanje DNK barkodova. Međutim, masena spektrometrija zahteva opremu koja možda nije dostupna u oblastima sa niskim resursima, tako da su za ovu verziju istraživači napravili test bočnog protoka, koji omogućava da se bar kodovi detektuju pomoću papirne test trake.
Istraživači su dizajnirali traku za otkrivanje do četiri različita DNK barkoda, od kojih svaki ukazuje na prisustvo različite proteaze. Nije potrebna prethodna obrada ili obrada uzorka urina, a rezultati se mogu očitati oko 20 minuta nakon uzimanja uzorka.
„Zaista smo nastojali da ovaj test bude dostupan na mestu nege u okruženju sa niskim resursima, tako da je ideja bila da ne radimo nikakvu obradu uzorka, ne radimo nikakvo pojačavanje, samo da bismo mogli da stavimo uzorak tačno na papir i pročitajte ga za 20 minuta“, kaže Bhatia.
Istraživači su testirali svoj dijagnostički sistem na miševima koji su genetski modifikovani da razviju tumore pluća slične onima koji se vide kod ljudi. Senzori su davani 7,5 nedelja nakon što su tumori počeli da se formiraju, vremenska tačka koja bi verovatno bila u korelaciji sa stadijumom 1 ili 2 raka kod ljudi.
U svom prvom setu eksperimenata na miševima, istraživači su izmerili nivoe 20 različitih senzora dizajniranih da otkriju različite proteaze. Koristeći algoritam mašinskog učenja za analizu tih rezultata, istraživači su identifikovali kombinaciju od samo četiri senzora za koje se predviđalo da će dati tačne dijagnostičke rezultate. Zatim su testirali tu kombinaciju na modelu miša i otkrili da može precizno otkriti tumore pluća u ranoj fazi.
Za upotrebu kod ljudi, moguće je da će biti potrebno više senzora za postavljanje tačne dijagnoze, ali to se može postići korišćenjem više papirnih traka, od kojih svaka detektuje četiri različita DNK barkoda, kažu istraživači.
Istraživači sada planiraju da analiziraju uzorke ljudske biopsije kako bi videli da li će senzorski paneli koje koriste takođe raditi na otkrivanju raka kod ljudi. Dugoročno, nadaju se da će izvesti klinička ispitivanja na ljudskim pacijentima. Kompanija pod nazivom Sunbird Bio je već sprovela ispitivanje faze I na sličnom senzoru koji je razvio Bhatia laboratorija, za upotrebu u dijagnostici raka jetre i oblika hepatitisa poznatog kao nealkoholni steatohepatitis (NASH).
U delovima sveta gde postoji ograničen pristup CT skeniranju, ova tehnologija bi mogla da ponudi dramatično poboljšanje u skriningu raka pluća, posebno zato što se rezultati mogu dobiti tokom jedne posete.
„Ideja bi bila da uđete i onda dobijete odgovor da li vam je potreban naknadni test ili ne, a mi bismo mogli da uvedemo pacijente koji imaju rane lezije u sistem kako bi mogli da dobiju kurativne operacije ili lekove za spasavanje života“, Bhatia kaže.
