Een eenvoudige en gevoelige urinetest, ontwikkeld door ingenieurs van Imperial en MIT, heeft een kleurverandering in urine veroorzaakt om groeiende tumoren bij muizen te signaleren.

Instrumenten die kanker in een vroeg stadium detecteren, kunnen de overleving en kwaliteit van leven van de patiënt verhogen. Echter, benaderingen voor kankerscreening vereisen vaak dure apparatuur en reizen naar de kliniek, die misschien niet haalbaar zijn in landelijke of ontwikkelingsgebieden met weinig medische infrastructuur.

Het opkomende gebied van point-of-care diagnostiek werkt daarom aan goedkopere, sneller, en gebruiksvriendelijkere tests. Een internationaal paar technische laboratoria pleiten voor deze aanpak en hebben een hulpmiddel ontwikkeld dat de kleur van muizenurine verandert bij darmkanker, ook wel darmkanker genoemd, is aanwezig.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

De technologie in een vroeg stadium, ontwikkeld door teams onder leiding van Imperial's Professor Molly Stevens en MIT's Professor Sangeeta Bhatia, werkt door nanosensoren in muizen te injecteren, die worden versneden door enzymen die worden vrijgegeven door tumoren die bekend staan ​​​​als proteasen.

Wanneer de nanosensoren worden afgebroken door proteasen, ze gaan door de nier, en kan met het blote oog worden gezien na een urinetest die een blauwe kleurverandering veroorzaakt.

De onderzoekers pasten deze technologie toe op muizen met darmkanker, en ontdekte dat urine van tumordragende muizen helderblauw wordt, ten opzichte van testmonsters van gezonde muizen.

Professor Stevens, van de afdelingen Materialen en Bioengineering van Imperial, zei:"Door gebruik te maken van deze chemische reactie die een kleurverandering veroorzaakt, deze test kan worden afgenomen zonder dat dure en moeilijk te gebruiken laboratoriuminstrumenten nodig zijn.

"De eenvoudige uitlezing kan mogelijk worden vastgelegd door een smartphone-foto en worden verzonden naar externe zorgverleners om patiënten met de behandeling te verbinden."

Signalen detecteren

Wanneer tumoren groeien en zich verspreiden, ze produceren vaak biologische signalen die bekend staan ​​als biomarkers en die clinici gebruiken om ziekten op te sporen en te volgen.

Een familie van tumor-enzymen die bekend staat als matrixmetalloproteïnasen (MMP's) helpt de groei en verspreiding van tumoren te bevorderen door de weefselstructuren die cellen normaal gesproken op hun plaats houden, te 'kauwen'.

Veel soorten kanker, inclusief colontumoren, produceren hoge niveaus van verschillende MMP-enzymen, waaronder een genaamd MMP9.

In dit onderzoek, het Imperial-MIT-team ontwikkelde nanosensoren waar ultrakleine gouden nanoclusters (AuNC's) waren verbonden met een eiwitdrager genaamd neutravidine, via linkers die worden verbroken door MMP9's

Om de kleurveranderende urinetest te ontwikkelen, de onderzoekers gebruikten twee AuNC-eigenschappen - hun zeer kleine ( <2 nanometer) grootte, en hun vermogen om een ​​blauwe kleurverandering te veroorzaken bij behandeling met een chemisch substraat en waterstofperoxide.

De onderzoekers ontwierpen de AuNC-eiwitcomplexen om uit elkaar te halen nadat ze door MMP's in de tumoromgeving of in het bloed waren gesneden. Wanneer uiteengevallen, de vrijgekomen AuNC's reizen via het bloed naar de nieren, waar ze klein genoeg zijn om door en in de urine te worden gefilterd.

Bij gezonde muizen zonder hoge MMP-waarden, de complexen blijven intact, en zijn te groot om in de urine terecht te komen. Als AuNC's in de urine zijn geconcentreerd, een chemische test zal een blauwe kleurverandering produceren die zichtbaar is met het blote oog.

Voor deze studie is de onderzoekers ontwikkelden sensoren die door bepaalde MMP's uit elkaar worden geknipt en getest in muizen. De onderzoekers toonden aan dat hun kleurveranderingstest nauwkeurig kon detecteren welke urinemonsters afkomstig waren van muizen met colontumoren in een onderzoek van 28 muizen die waren geïnjecteerd met de sensoren, waar 14 muizen gezond waren en 14 darmtumoren hadden.

Binnen een half uur na de chemische behandeling, alleen de urine van muizen met colontumoren had een sterke blauwe kleur. Daarentegen, urine van de gezonde controlemuizen vertoonde geen kleurverandering.

Het team heeft de AuNC-oppervlakken ook zo ontworpen dat ze 'ongezien' worden door het immuunsysteem om immuunreacties of toxische bijwerkingen te voorkomen. en om te voorkomen dat overvloedige serumeiwitten eraan blijven kleven, waardoor de nanosensoren te groot zouden worden om door de nieren te worden gefilterd.

Tijdens een follow-up van vier weken na toediening van nanosensoren, de muizen vertoonden geen tekenen van bijwerkingen, en er was geen bewijs dat het eiwit-sensorcomplex of vrije AuNC's in de lichamen van de muizen bleven hangen.

Co-eerste auteur Dr. Colleen Loynachan, van Imperial's Department of Materials, zei:"De AuNC's zijn vergelijkbaar met materialen die al in de kliniek worden gebruikt voor beeldvorming van tumoren, maar hier profiteren we van hun unieke eigenschappen om ons aanvullende informatie over ziekten te geven. Echter, er is nog veel optimalisatie en testen nodig voordat de technologie verder kan gaan dan het laboratorium."

Toegankelijke diagnostiek

Volgende, het team zal werken aan het vergroten van de specificiteit en gevoeligheid van de sensoren door ze in meer diermodellen te testen om diagnostische nauwkeurigheid en veiligheid te onderzoeken.

Co-eerste auteur Ava Soleimany, van MIT, zei:"Proteasen spelen een functionele rol bij een aantal ziekten zoals kanker en infectieziekten. Door versies van onze sensoren te ontwerpen die door verschillende proteasen kunnen worden gesneden, we zouden deze op kleuren gebaseerde test kunnen toepassen om een ​​verscheidenheid aan omstandigheden te detecteren."

De onderzoekers werken nu aan een formulering die gemakkelijker toe te dienen is, en het identificeren van manieren om de sensoren te laten reageren op meerdere biomarkers om onderscheid te maken tussen kankers en andere ziekten.