De meeste tests die artsen gebruiken om kanker te diagnosticeren, zoals mammografie, colonoscopie, en CT-scans - zijn gebaseerd op beeldvorming. Recenter, onderzoekers hebben ook moleculaire diagnostiek ontwikkeld die specifieke kankergeassocieerde moleculen kan detecteren die circuleren in lichaamsvloeistoffen zoals bloed of urine.

MIT-ingenieurs hebben nu een nieuw diagnostisch nanodeeltje gemaakt dat beide eigenschappen combineert:het kan de aanwezigheid van kankerachtige eiwitten onthullen door middel van een urinetest, en het functioneert als een beeldvormend middel, het lokaliseren van de tumorlocatie. In principe, deze diagnose kan worden gebruikt om kanker overal in het lichaam op te sporen, inclusief tumoren die zijn uitgezaaid vanaf hun oorspronkelijke locatie.

"Dit is een heel brede sensor die bedoeld is om te reageren op zowel primaire tumoren als hun metastasen. Het kan een urinesignaal veroorzaken en ons ook in staat stellen te visualiseren waar de tumoren zijn, " zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen aan MIT en een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science.

In een nieuwe studie, Bhatia en haar collega's toonden aan dat de diagnose kan worden gebruikt om de progressie van darmkanker te volgen, inclusief de verspreiding van uitgezaaide tumoren naar de longen en de lever. Eventueel, ze hopen dat het kan worden ontwikkeld tot een routinematige kankertest die jaarlijks kan worden uitgevoerd.

Bhatia is de senior auteur van de studie, die vandaag verschijnt in Natuurmaterialen . De hoofdauteur van het artikel is MIT-onderzoeker Liangliang Hao.

Tumoren lokaliseren

In de afgelopen jaren, Bhatia heeft kankerdiagnostiek ontwikkeld die werkt door synthetische biomarkers te genereren die gemakkelijk in de urine kunnen worden gedetecteerd. De meeste kankercellen brengen enzymen tot expressie die proteasen worden genoemd, die hen helpen ontsnappen aan hun oorspronkelijke locaties door eiwitten van de extracellulaire matrix te doorbreken. Bhatia's kankerdetecterende nanodeeltjes zijn gecoat met peptiden die door deze proteasen worden gesplitst. Wanneer deze deeltjes een tumor tegenkomen, de peptiden worden gesplitst en uitgescheiden in de urine, waar ze gemakkelijk kunnen worden opgespoord. In diermodellen van longkanker, deze biomarkers kunnen de aanwezigheid van tumoren vroeg detecteren; echter, ze onthullen niet de exacte locatie van de tumor of dat de tumor zich buiten het orgaan van oorsprong heeft verspreid.

Voortbouwend op hun eerdere inspanningen, de MIT-onderzoekers wilden ontwikkelen wat zij een "multimodale" diagnostiek noemen, die zowel moleculaire screening (detectie van het urinesignaal) als beeldvorming kan uitvoeren, om hen precies te vertellen waar de oorspronkelijke tumor en eventuele uitzaaiingen zich bevinden.

Om de deeltjes te modificeren zodat ze ook kunnen worden gebruikt voor PET-beeldvorming, de onderzoekers voegden een radioactieve tracer toe, koper-64 genaamd. Ze bedekten ze ook met een peptide dat wordt aangetrokken door zure omgevingen, zoals de micro-omgeving in tumoren, om ervoor te zorgen dat de deeltjes zich ophopen op tumorplaatsen. Als ze eenmaal een tumor hebben bereikt, deze peptiden plaatsen zichzelf in celmembranen, het creëren van een sterk beeldsignaal boven achtergrondruis.

De onderzoekers testten de diagnostische deeltjes in twee muismodellen van uitgezaaide darmkanker, waarin tumorcellen reizen naar en groeien in de lever of de longen. Na behandeling met een chemotherapiemedicijn dat gewoonlijk wordt gebruikt voor de behandeling van darmkanker, de onderzoekers konden zowel het urinesignaal als het beeldvormende middel gebruiken om te volgen hoe de tumoren op de behandeling reageerden.

De onderzoekers ontdekten ook dat het leveren van koper-64 met hun nanodeeltjes een voordeel biedt ten opzichte van de strategie die doorgaans wordt gebruikt voor PET-beeldvorming. De PET-tracer, bekend als FDG, is een radioactieve vorm van glucose die wordt opgenomen door metabolisch actieve cellen, waaronder kankercellen. Echter, het hart genereert een helder PET-signaal bij blootstelling aan FDG, en dat signaal kan zwakkere signalen van nabijgelegen longtumoren verdoezelen. Het gebruik van zuurgevoelige nanodeeltjes om koper-64 op te hopen in de tumoromgeving geeft een veel duidelijker beeld van longtumoren, vonden de onderzoekers.

Op weg naar kankerscreening

Indien goedgekeurd voor gebruik bij menselijke patiënten, Bhatia voorziet dat dit soort diagnostiek nuttig kan zijn om te evalueren hoe goed patiënten op behandeling reageren, en voor langetermijnmonitoring van tumorrecidief of metastase, vooral voor darmkanker.

"Die patiënten kunnen elke zes maanden worden gecontroleerd met de urineversie van de test, bijvoorbeeld. Als de urinetest positief is, ze konden een radioactieve versie van hetzelfde middel gebruiken voor een beeldvormend onderzoek dat zou kunnen aangeven waar de ziekte zich had verspreid. We zijn ook van mening dat het regelgevende pad kan worden versneld met beide testmethoden waarbij gebruik wordt gemaakt van een enkele formulering, ' zegt Bhatia.

Op langere termijn, ze hoopt dat deze technologie kan worden gebruikt als onderdeel van een diagnostische workflow die periodiek kan worden gegeven om elke vorm van kanker op te sporen.

"De visie is dat je dit zou kunnen gebruiken in een screeningparadigma - alleen of in combinatie met andere tests - en we zouden gezamenlijk patiënten kunnen bereiken die tegenwoordig geen toegang hebben tot dure screeninginfrastructuur, " zegt ze. "Elk jaar kon je een urinetest krijgen als onderdeel van een algemene controle. U zou alleen een beeldvormend onderzoek doen als de urinetest positief wordt om vervolgens uit te zoeken waar het signaal vandaan komt. We hebben nog veel werk te doen aan de wetenschap om daar te komen, maar daar willen we op den duur naar toe."

Glympse Bio, een bedrijf mede opgericht door Bhatia, heeft klinische fase 1-onderzoeken uitgevoerd met een eerdere versie van de diagnostische urinedeeltjes en heeft vastgesteld dat deze veilig zijn bij patiënten.