Kwaadaardige cellen die een primaire tumor achterlaten, reizen door de bloedbaan en uit de hand lopen op nieuwe locaties veroorzaken de overgrote meerderheid van de sterfgevallen door kanker. Nieuwe nanotechnologie ontwikkeld aan Case Western Reserve University detecteert deze metastasen in muismodellen van borstkanker veel eerder dan de huidige methoden, een stap naar vroeger, levensreddende diagnose en behandeling.

Een team van wetenschappers, ingenieurs en studenten in vijf disciplines bouwden nanoketens die inspelen op metastasen voordat ze zijn uitgegroeid tot nieuwe weefsels, en, door middel van magnetische resonantie beeldvorming, hun locaties detecteren.

Beelden van de precieze locatie en omvang van metastasen kunnen worden gebruikt om chirurgie of ablatie te begeleiden, of dezelfde technologie die wordt gebruikt om de kanker te vinden, kan worden gebruikt om kankerdodende medicijnen rechtstreeks in de cellen af ​​te leveren voordat een tumor wordt gevormd, suggereren de onderzoekers.

Het werk wordt beschreven in de online uitgave van deze week van het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

"Micrometastasen zijn met het blote oog niet te zien, maar je moet ze in dit stadium vangen - bekijk de exacte plekken waar ze zich bevinden en bekijk ze allemaal, " zei Efstathios Karathanasis, universitair docent biomedische technologie en radiologie, en senior auteur. "Zelfs als je er maar één mist, je verlengt de overleving, maar één metastase kan nog steeds dodelijk zijn."

Karathanasis werkte samen met onderzoeksmedewerker Pubudu M. Peiris, afgestudeerde student Randall Toy; niet-gegradueerde studenten Elizabeth Doolittle, Jenna Pansky, Aaron Abramowski, Morgan Tam, Peter Vicente, Emily Tran, Elliott Hayden en Andrew Camann; medische student Zachary Berman, senior onderzoeksmedewerker Bernadette O. Erokwu, hoogleraar biomedische technologie David Wilson, universitair hoofddocent chemische technologie Harihara Baskaran; en, van de Case Western Reserve School of Medicine, radiologie assistent-professor Chris A. Flask en farmacologie universitair hoofddocent en afdelingsvicevoorzitter Ruth A. Keri.

Tumordetectietechnologieën slagen er niet in om kankercellen te ontdekken die zich op nieuwe locaties hebben gevestigd, omdat jonge metastasen zich niet hetzelfde gedragen als gevestigde tumoren.

Nadat een borstkankercel in de bloedbaan is gekomen, het stopt meestal in de lever, milt of longen en begint oppervlaktemoleculen, integrines genaamd, tot overexpressie te brengen. Integrines werken als een lijm tussen de kankercel en de bekleding van een bloedvat dat het orgaan voedt.

"We richten ons op integrines, " zei Karathanasis. "Normale bloedvatwanden presenteren geen integrines naar de bloedplaats tenzij kankercellen zich daar hechten."

Om thuis te komen op de kankermarkering, de onderzoekers moesten eerst een nano-apparaat bouwen dat uit de centrale stroom van de bloedstroom en naar de bloedvatwanden zou drijven. De meest voorkomende vorm van nanodeeltjes is een bol, maar een bol heeft de neiging om met de stroom mee te gaan.

Het team van Karathanasis heeft nanodeeltjes op maat gemaakt om ze met elkaar te verbinden, net als een stapel Lego's. Door zijn grootte en vorm, de langwerpige ketting tuimelt uit de hoofdstroom en slingert langs de scheepswanden.

De buitenkant van de keten heeft meerdere plaatsen die zijn ontworpen om te binden met integrines. Zodra een site aanslaat, anderen grijpen. Vergeleken met nanosferen, de aanhechtingssnelheid van de kettingen in stroomtests was bijna 10 keer hoger.

Om een ​​arts in staat te stellen te zien waar relatief weinig kankercellen zitten in een zee van gezonde cellen, de wetenschappers integreerden fluorescerende markers en, om de nanoketens beter zichtbaar te maken in magnetische resonantiebeeldvorming, vier schakels van ijzeroxide.

Volgende, het team testte de ketens in een muismodel van een agressieve vorm van borstkanker die uitzaait naar plaatsen en organen op dezelfde manier als bij mensen.

Uit gevestigd onderzoek, ze wisten dat metastasen vijf weken na de modellering aanwezig zouden zijn. Ze injecteerden nanoketens in de bloedbaan en, binnen een uur, twee beeldvormende technieken - fluorescentie moleculaire tomografie en MRI's - toonden aan waar reizende kankercellen voet aan de grond hadden gekregen, voornamelijk in de lever, longen en milt.

De metastasen gelokaliseerd met behulp van de nanoketens varieerden van 0,2 tot 2 millimeter breed.

Latere beeldvorming bij hoge vergroting toonde aan dat deze uitgezaaide kankercellen meestal in de bloedvatwanden werden gevonden, voordat ze tijd hadden gehad om uit te groeien tot orgaanweefsel.

"Zodra metastatische cellen het weefsel binnenkomen, hun eigen micro-omgeving ontwikkelen, en uitgroeien tot een laesie van 1 centimeter, het duidt meestal op een laat stadium van gemetastaseerde ziekte met een ongunstige uitkomst, ' zei Karathanasis.

Volgens de American Cancer Society, de 5-jaarsoverleving van borstkankerpatiënten daalt sterk van 98 procent in gevallen die de ziekte krijgen wanneer het alleen een gelokaliseerde primaire laesie heeft veroorzaakt tot 23 procent in gevallen waarin grote metastasen op afstand zijn gegroeid.

Nu ze hebben bewezen dat het concept werkt, het team brengt klinische radiologen aan boord onder leiding van Vikas Gulani, assistent-professor radiologie. Het is hun taak om te helpen met een nieuwe studie, berekenen hoeveel nieuwe kanker de technologie vindt en mist.