Naar schatting zijn er ongeveer 80, 000 industriële chemicaliën die momenteel in gebruik zijn, in producten zoals kleding, reinigingsoplossingen, tapijten, en meubels. Voor de overgrote meerderheid van deze chemicaliën wetenschappers hebben weinig of geen informatie over hun potentieel om kanker te veroorzaken.

De detectie van DNA-schade in cellen kan voorspellen of kanker zich zal ontwikkelen, maar tests voor dit soort schade hebben een beperkte gevoeligheid. Een team van biologische ingenieurs van het MIT heeft nu een nieuwe screeningmethode bedacht waarvan zij denken dat deze testen veel sneller kunnen maken. gemakkelijker, en nauwkeuriger.

Het Nationaal Toxicologieprogramma, een onderzoeksbureau van de overheid dat potentieel gevaarlijke stoffen identificeert, werkt nu aan de goedkeuring van de MIT-test om nieuwe verbindingen te evalueren.

"Ik hoop dat ze het gebruiken om potentiële kankerverwekkende stoffen te identificeren en dat we ze uit onze omgeving halen, en te voorkomen dat ze in grote hoeveelheden worden geproduceerd, " zegt Bevin Engelward, een professor in biologische engineering aan het MIT en de senior auteur van de studie. "Het kan tientallen jaren duren tussen het moment dat je wordt blootgesteld aan een kankerverwekkende stof en het moment dat je kanker krijgt, dus we hebben echt voorspellende tests nodig. We moeten in de eerste plaats kanker voorkomen."

Het lab van Engelward werkt nu aan het verder valideren van de test, die gebruik maakt van menselijke leverachtige cellen die chemicaliën metaboliseren op dezelfde manier als echte menselijke levercellen en een onderscheidend signaal produceren wanneer DNA-schade optreedt.

Le Ngo, een voormalig MIT-afgestudeerde student en postdoc, is de hoofdauteur van het artikel, die vandaag in het tijdschrift verschijnt Onderzoek naar nucleïnezuren . Andere MIT-auteurs van het artikel zijn onder meer postdoc Norah Owiti, afgestudeerde student Yang Su, voormalig afgestudeerde student Jing Ge, Singapore-MIT Alliance for Research and Technology afgestudeerde student Aoli Xiong, hoogleraar elektrotechniek en informatica Jongyoon Han, en emeritus hoogleraar biologische engineering Leona Samson.

Carol Swartz, Jan Winters, en Leslie Recio van Integrated Laboratory Systems zijn ook auteurs van het artikel.

DNA-schade detecteren

Momenteel, tests voor het kankerverwekkende potentieel van chemicaliën omvatten het blootstellen van muizen aan de chemische stof en vervolgens wachten om te zien of ze kanker krijgen, wat ongeveer twee jaar duurt.

Engelward heeft een groot deel van haar carrière besteed aan het ontwikkelen van manieren om DNA-schade in cellen te detecteren, wat uiteindelijk tot kanker kan leiden. Een van deze apparaten, de komeetchip, onthult DNA-schade door het DNA in een reeks microwells op een plak polymeergel te plaatsen en het vervolgens bloot te stellen aan een elektrisch veld. DNA-strengen die zijn gebroken reizen verder, waardoor een komeetvormige staart ontstaat.

Hoewel de CometChip goed is in het detecteren van breuken in DNA, evenals DNA-schade die gemakkelijk wordt omgezet in breuken, het kan geen ander type schade oppikken dat bekend staat als een omvangrijke laesie. Deze laesies ontstaan ​​wanneer chemicaliën aan een DNA-streng blijven kleven en de dubbele helixstructuur vervormen, interfereren met genexpressie en celdeling. Chemische stoffen die dit soort schade veroorzaken, zijn onder meer aflatoxine, die wordt geproduceerd door schimmels en pinda's en andere gewassen kan besmetten, en benzo[a]pyreen, die zich kunnen vormen wanneer voedsel bij hoge temperaturen wordt gekookt.

Engelward en haar studenten besloten te proberen de CometChip aan te passen zodat deze dit soort DNA-schade zou kunnen opvangen. Om dat te doen, ze maakten gebruik van de DNA-herstelroutes van cellen om strengbreuken te genereren. Typisch, wanneer een cel een omvangrijke laesie ontdekt, het zal proberen het te repareren door de laesie weg te snijden en het vervolgens te vervangen door een nieuw stuk DNA.

"Als er iets op het DNA is gelijmd, je moet dat stuk DNA eruit trekken en het dan vervangen door vers DNA. In dat ripproces, je creëert een strengbreuk, ', zegt Engelward.

Om die gebroken strengen te vangen, de onderzoekers behandelden cellen met twee verbindingen die voorkomen dat ze nieuw DNA synthetiseren. Dit stopt het reparatieproces en genereert niet-gerepareerd enkelstrengs DNA dat de Comet-test kan detecteren.

De onderzoekers wilden er ook zeker van zijn dat hun test, die HepaCometChip wordt genoemd, zou chemicaliën detecteren die pas gevaarlijk worden nadat ze in de lever zijn gewijzigd via een proces dat bioactivatie wordt genoemd.

"Veel chemicaliën zijn eigenlijk inert totdat ze worden gemetaboliseerd door de lever, " zegt Ngo. "In de lever heb je veel metaboliserende enzymen, die de chemicaliën wijzigen zodat ze gemakkelijker door het lichaam worden uitgescheiden. Maar dit proces levert soms tussenproducten op die giftiger kunnen blijken te zijn dan de oorspronkelijke chemische stof."

Om die chemicaliën op te sporen, de onderzoekers moesten hun test uitvoeren in levercellen. Human liver cells are notoriously difficult to grow outside the body, but the MIT team was able to incorporate a type of liver-like cell called HepaRG, developed by a company in France, into the new test. These cells produce many of the same metabolic enzymes found in normal human liver cells, and like human liver cells, they can generate potentially harmful intermediates that create bulky lesions.

Enhanced sensitivity

To test their new system, the researchers first exposed the liver-like cells to UV light, which is known to produce bulky lesions. After verifying that they could detect such lesions, they tested the system with nine chemicals, seven of which are known to lead to single-stranded DNA breaks or bulky lesions, and found that the test could accurately detect all of them.

"Our new method enhances the sensitivity, because it should be able to detect any damage a normal Comet test would detect, and also adds on the layer of the bulky lesions, " Ngo says.

The whole process takes between two days and a week, offering a significantly faster turnaround than studies in mice.

The researchers are now working on further validating the test by comparing its performance with historical data from mouse carcinogenicity studies, with funding from the National Institutes of Health.

They are also working with Integrated Laboratory Systems, a company that performs toxicology testing, to potentially commercialize the technology. Engelward says the HepaCometChip could be useful not only for manufacturers of new chemical products, but also for drug companies, which are required to test new drugs for cancer-causing potential. The new test could offer a much easier and faster way to perform those screens.

"Once it's validated, we hope it will become a recommended test by the FDA, " she says.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.