MIT-onderzoekers hebben nanosensoren ontworpen die tumoren kunnen profileren en mogelijk inzicht kunnen geven in hoe ze zullen reageren op bepaalde therapieën. Het systeem is gebaseerd op niveaus van enzymen die proteasen worden genoemd, die kankercellen gebruiken om hun omgeving te hermodelleren.

Eenmaal aangepast voor mensen, dit type sensor kan worden gebruikt om te bepalen hoe agressief een tumor is en om artsen te helpen bij het kiezen van de beste behandeling, zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen en een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Deze benadering is opwindend omdat mensen therapieën ontwikkelen die door protease worden geactiveerd, " zegt Bhatia. "Idealiter zou je patiënten willen kunnen stratificeren op basis van hun proteaseactiviteit en kunnen identificeren welke goede kandidaten voor deze therapieën zouden zijn."

Eenmaal in de tumorplaats geïnjecteerd, de nanosensoren worden geactiveerd door een magnetisch veld dat onschadelijk is voor gezond weefsel. Na interactie met en gemodificeerd zijn door de doeltumoreiwitten, de sensoren worden uitgescheiden in de urine, waar ze gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd in minder dan een uur.

Bhatia en Polina Anikeeva, de klasse van 1942 universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, zijn de senior auteurs van het papier, die in het journaal verschijnt Nano-letters . De hoofdauteurs van het artikel zijn Koch Institute-postdoc Simone Schurle en afgestudeerde student Jaideep Dudani.

Verwarmen en loslaten

tumoren, vooral agressieve, hebben vaak verhoogde proteaseniveaus. Deze enzymen helpen tumoren te verspreiden door eiwitten te splitsen die de extracellulaire matrix vormen, die normaal cellen omringt en op hun plaats houdt.

In 2014, Bhatia en collega's meldden het gebruik van nanodeeltjes die interageren met een type protease dat bekend staat als matrixmetalloproteïnasen (MMP's) om kanker te diagnosticeren. In die studie, de onderzoekers leverden nanodeeltjes met peptiden, of korte eiwitfragmenten, ontworpen om te worden gesplitst door de MMP's. Als MMP's aanwezig waren, honderden gesplitste peptiden zouden in de urine worden uitgescheiden, waar ze konden worden gedetecteerd met een eenvoudige papieren test, vergelijkbaar met een zwangerschapstest.

In de nieuwe studie de onderzoekers wilden de sensoren aanpassen zodat ze de kenmerken van tumoren op een bekende locatie kunnen rapporteren. Om dat te doen, ze moesten ervoor zorgen dat de sensoren alleen een signaal produceerden van het doelorgaan, onaangetast door achtergrondsignalen die in de bloedbaan kunnen worden geproduceerd. Ze ontwierpen eerst sensoren die met licht konden worden geactiveerd zodra ze hun doel hadden bereikt. Dat vereiste het gebruik van ultraviolet licht, echter, die niet erg ver in het weefsel doordringt.

"We begonnen na te denken over wat voor soort energie we zouden kunnen gebruiken die verder in het lichaam zou kunnen doordringen, " zegt Bhatia, die ook lid is van MIT's Institute for Medical Engineering and Science.

Om dat te bereiken, Bhatia werkte samen met Anikeeva, die gespecialiseerd is in het gebruik van magnetische velden om materialen op afstand te activeren. De onderzoekers besloten om Bhatia's protease-gevoelige nanodeeltjes in te kapselen samen met magnetische deeltjes die opwarmen wanneer ze worden blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld. Het veld wordt geproduceerd door een kleine magnetische spoel die zo'n half miljoen keer per seconde van polariteit verandert.

Het warmtegevoelige materiaal dat de deeltjes inkapselt, desintegreert als de magnetische deeltjes opwarmen, waardoor de proteasesensoren kunnen worden vrijgegeven. Echter, de deeltjes produceren niet genoeg warmte om nabijgelegen weefsel te beschadigen.

"Het was een uitdaging om tumorspecifieke protease-activiteiten van biovloeistoffen van patiënten te onderzoeken, omdat deze proteasen ook aanwezig zijn in bloed en andere organen, " zegt Ji Ho (Joe) Park, een universitair hoofddocent bio- en hersentechnologie aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology.

"De kracht van dit werk is de magnetotherm reagerende protease-nanosensoren met spatiotemporele beheersbaarheid, " zegt Park, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Met deze nanosensoren, de MIT-onderzoekers konden protease-activiteiten testen die meer betrokken waren bij tumorprogressie door off-target activatie aanzienlijk te verminderen."

Behandelingen kiezen

In een studie van muizen, de onderzoekers toonden aan dat ze deze deeltjes konden gebruiken om verschillende soorten colontumoren correct te profileren op basis van de hoeveelheid protease die ze produceren.

Kankerbehandelingen op basis van proteasen, nu in klinische proeven, bestaan ​​uit antilichamen die zich richten op een tumoreiwit, maar die "sluiers" hebben die voorkomen dat ze worden geactiveerd voordat ze de tumor bereiken. De sluiers worden doorgesneden door proteasen, dus deze therapie zou het meest effectief zijn voor patiënten met hoge proteaseniveaus.

Het MIT-team onderzoekt ook het gebruik van dit type sensor om kankerachtige laesies in beeld te brengen die zich vanuit andere organen naar de lever verspreiden. Het chirurgisch verwijderen van dergelijke laesies werkt het beste als er minder dan vier zijn, dus door ze te meten, kunnen artsen de beste behandeling kiezen.

Bhatia zegt dat dit type sensor ook kan worden aangepast aan andere tumoren, omdat het magnetische veld diep in het lichaam kan doordringen. Deze aanpak zou ook kunnen worden uitgebreid om diagnoses te stellen op basis van het detecteren van andere soorten enzymen, inclusief die welke suikerketens of lipiden doorsnijden.

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.