Inženjeri MIT-a dizajnirali su novi senzor nanočestica koji bi mogao omogućiti ranu dijagnozu raka jednostavnim testom urina. Senzori, koji mogu otkriti mnogo različitih kancerogenih proteina, takođe se mogu koristiti za razlikovanje tipa tumora ili kako on reaguje na lečenje.
Nanočestice su dizajnirane tako da kada naiđu na tumor, oslobađaju kratke sekvence DNK koje se izlučuju urinom. Analiza ovih DNK „barkodova“ može otkriti karakteristike tumora određenog pacijenta. Istraživači su dizajnirali svoj test tako da se može izvesti pomoću trake papira, slično testu na COVID kod kuće, za koji se nadaju da bi mogao da ga učini pristupačnim i dostupnim što većem broju pacijenata.
„Pokušavamo da inoviramo u kontekstu stavljanja tehnologije na raspolaganje postavkama sa niskim i srednjim resursima. Stavljanje ove dijagnostike na papir deo je našeg cilja demokratizacije dijagnostike i stvaranja jeftinih tehnologija koje vam mogu dati brz odgovor u trenutku briga“, kaže Sangeeta Bhatia, profesor zdravstvenih nauka i tehnologije John i Dorothi Vilson i elektrotehnike i računarstva na MIT-u i član MIT-ovog Koch instituta za integrativno istraživanje raka i Instituta za medicinsko inženjerstvo i nauku.
U testovima na miševima, istraživači su pokazali da mogu da koriste senzore za otkrivanje aktivnosti pet različitih enzima koji se eksprimiraju u tumorima. Takođe su pokazali da se njihov pristup može povećati kako bi se razlikovalo najmanje 46 različitih DNK bar kodova u jednom uzorku, koristeći mikrofluidni uređaj za analizu uzoraka.
Bhatia je stariji autor rada, koji se danas pojavljuje u Nature Nanotechnologi. Liangliang Hao, bivši naučnik MIT-a, koji je sada docent biomedicinskog inženjerstva na Univerzitetu u Bostonu, glavni je autor studije.
Već nekoliko godina, Bhatijina laboratorija razvija „sintetičke biomarkere“ koji bi se mogli koristiti za dijagnosticiranje raka. Ovaj rad se zasniva na konceptu otkrivanja biomarkera raka, kao što su proteini ili cirkulišuće tumorske ćelije, u uzorku krvi pacijenta. Ovi prirodni biomarkeri su toliko retki da ih je skoro nemoguće pronaći, posebno u ranoj fazi, ali se sintetički biomarkeri mogu koristiti za pojačavanje promena manjih razmera koje se javljaju u malim tumorima.
U prethodnom radu, Bhatia je stvorio nanočestice koje mogu da otkriju aktivnost enzima zvanih proteaze, koje pomažu ćelijama raka da pobegnu sa svojih prvobitnih lokacija, ili se nasele na nove, presecanjem proteina ekstracelularnog matriksa. Nanočestice su obložene peptidima koji se cepaju različitim proteazama, a kada se ovi peptidi puste u krvotok, mogu se koncentrisati i lakše otkriti u uzorku urina.
Originalni peptidni biomarkeri su dizajnirani da se detektuju na osnovu malih projektovanih varijacija u njihovoj masi, korišćenjem masenog spektrometra. Ova vrsta opreme možda neće biti dostupna u postavkama sa niskim resursima, pa su istraživači krenuli da razviju senzore koji bi mogli da se analiziraju lakše i pristupačnije, koristeći DNK bar kodove koji se mogu očitati pomoću CRISPR tehnologije.
Da bi ovaj pristup funkcionisao, istraživači su morali da koriste hemijsku modifikaciju zvanu fosforotioat kako bi zaštitili cirkulišuće DNK reporterske barkodove od razgradnje u krvi. Ova modifikacija je već korišćena za poboljšanje stabilnosti savremenih RNK vakcina, omogućavajući im da duže prežive u telu.
Slično peptidnim reporterima, svaki DNK bar kod je vezan za nanočesticu pomoću linkera koji može da se odcepi specifičnom proteazom. Ako je ta proteaza prisutna, molekul DNK se oslobađa i slobodno cirkuliše i na kraju završava u urinu. Za ovu studiju, istraživači su koristili dva različita tipa nanočestica: jednu, česticu napravljenu od polimera koji su odobreni od strane FDA za upotrebu kod ljudi, a drugu „nanotelo“ – fragment antitela koji može biti dizajniran da se akumulira na mesto tumora.
Kada se senzori izluče u urinu, uzorak se može analizirati pomoću papirne trake koja prepoznaje reportera koji je aktiviran enzimom CRISPR pod nazivom Cas12a. Kada je određeni DNK bar kod prisutan u uzorku, Cas12a pojačava signal tako da se može videti kao tamna traka na papirnom testu.
Čestice mogu biti dizajnirane da nose mnogo različitih DNK bar kodova, od kojih svaki detektuje različitu vrstu aktivnosti proteaze, što omogućava „multipleksno“ detekciju. Korišćenje većeg broja senzora obezbeđuje povećanje i osetljivosti i specifičnosti, omogućavajući testu da lakše razlikuje tipove tumora.
U testovima na miševima, istraživači su pokazali da panel od pet DNK bar kodova može precizno razlikovati tumore koji su se prvi pojavili u plućima od tumora formiranih od ćelija kolorektalnog raka koje su metastazirale u pluća.
„Naš cilj ovde je da izgradimo potpise bolesti i da vidimo da li možemo da koristimo ove ploče sa bar kodom ne samo da očitamo bolest već i da klasifikujemo bolest ili razlikujemo različite tipove raka“, kaže Hao.
Za upotrebu kod ljudi, istraživači očekuju da će možda morati da koriste više od pet bar kodova jer postoji toliko raznolikosti između tumora pacijenata. Da bi pomogli u postizanju tog cilja, radili su sa istraživačima na Institutu Broad MIT-a i Harvarda na čelu sa profesorom Univerziteta Harvard Pardisom Sabetijem, kako bi stvorili mikrofluidni čip koji se može koristiti za čitanje do 46 različitih DNK bar kodova iz jednog uzorka.
Ova vrsta testiranja mogla bi se koristiti ne samo za otkrivanje raka, već i za merenje koliko dobro pacijentov tumor reaguje na lečenje i da li se ponovo pojavio nakon lečenja. Istraživači sada rade na daljem razvoju čestica sa ciljem da ih testiraju na ljudima. Glimpse Bio, kompanija čiji je suosnivač Bhatia, izvela je klinička ispitivanja faze 1 ranije verzije urinarnih dijagnostičkih čestica i otkrila da su bezbedne za pacijente.
