Met behulp van een nieuwe technologie die bij MIT is ontwikkeld, kan het diagnosticeren van longkanker net zo eenvoudig worden als het inademen van nanodeeltjessensoren en het vervolgens afnemen van een urinetest die uitwijst of er een tumor aanwezig is.

De nieuwe diagnose is gebaseerd op nanosensoren die kunnen worden toegediend door een inhalator of een vernevelaar. Als de sensoren kankergerelateerde eiwitten in de longen tegenkomen, produceren ze een signaal dat zich ophoopt in de urine, waar het kan worden gedetecteerd met een eenvoudige papieren teststrip.

Deze aanpak zou mogelijk de huidige gouden standaard voor het diagnosticeren van longkanker, lage dosis computertomografie (CT), kunnen vervangen of aanvullen. Het zou een bijzonder grote impact kunnen hebben in lage- en middeninkomenslanden die niet over een wijdverspreide beschikbaarheid van CT-scanners beschikken, zeggen de onderzoekers.

“Over de hele wereld zal kanker steeds vaker voorkomen in lage- en middeninkomenslanden. De epidemiologie van longkanker wereldwijd is dat deze wordt veroorzaakt door vervuiling en roken, dus we weten dat dit omgevingen zijn waar de toegankelijkheid van dit soort kanker van technologie zou een grote impact kunnen hebben”, zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT, en lid van MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research en het Institute for Medical Techniek en Wetenschap.

Bhatia is de hoofdauteur van het artikel, dat verschijnt in Science Advances . Qian Zhong, een MIT-onderzoeker, en Edward Tan, een voormalige MIT-postdoc, zijn de hoofdauteurs van het onderzoek.

Inhaleerbare deeltjes

Om longkanker zo vroeg mogelijk te helpen diagnosticeren, beveelt de U.S. Preventive Services Task Force aan dat zware rokers ouder dan 50 jaar jaarlijks een CT-scan ondergaan. Niet iedereen uit deze doelgroep krijgt deze scans echter, en het hoge fout-positieve percentage van de scans kan leiden tot onnodige, invasieve tests.

Bhatia heeft de afgelopen tien jaar nanosensoren ontwikkeld voor gebruik bij het diagnosticeren van kanker en andere ziekten, en in deze studie onderzochten zij en haar collega's de mogelijkheid om deze te gebruiken als een toegankelijker alternatief voor CT-screening op longkanker.

Deze sensoren bestaan ​​uit polymere nanodeeltjes bedekt met een reporter, zoals een DNA-barcode, die van het deeltje wordt gekliefd wanneer de sensor enzymen tegenkomt die proteasen worden genoemd en die vaak overactief zijn in tumoren. Deze reporters stapelen zich uiteindelijk op in de urine en worden door het lichaam uitgescheiden.

Eerdere versies van de sensoren, die zich richtten op andere kankerlocaties zoals de lever en de eierstokken, waren ontworpen om intraveneus te worden toegediend. Voor de diagnose van longkanker wilden de onderzoekers een versie maken die kan worden ingeademd, waardoor deze gemakkelijker kan worden ingezet in omgevingen met minder middelen.

"Toen we deze technologie ontwikkelden, was ons doel om een ​​methode te bieden die kanker met een hoge specificiteit en gevoeligheid kan detecteren, en ook de drempel voor toegankelijkheid kan verlagen, zodat we hopelijk de ongelijkheid in middelen en ongelijkheid bij de vroege detectie van longkanker kunnen verbeteren, ' zegt Zhong.

Om dat te bereiken hebben de onderzoekers twee formuleringen van hun deeltjes gemaakt:een oplossing die kan worden verneveld en kan worden toegediend met een vernevelaar, en een droog poeder dat kan worden toegediend met behulp van een inhalator.

Zodra de deeltjes de longen bereiken, worden ze in het weefsel opgenomen, waar ze eventuele aanwezige proteasen tegenkomen. Menselijke cellen kunnen honderden verschillende proteasen tot expressie brengen, en sommige daarvan zijn overactief in tumoren, waar ze kankercellen helpen hun oorspronkelijke locatie te verlaten door eiwitten van de extracellulaire matrix door te snijden.

Deze kankerproteasen splitsen DNA-barcodes van de sensoren, waardoor de barcodes in de bloedbaan kunnen circuleren totdat ze in de urine worden uitgescheiden.

In de eerdere versies van deze technologie gebruikten de onderzoekers massaspectrometrie om het urinemonster te analyseren en DNA-barcodes te detecteren. Voor massaspectrometrie is echter apparatuur nodig die mogelijk niet beschikbaar is in gebieden met weinig middelen. Daarom hebben de onderzoekers voor deze versie een laterale flow-test ontwikkeld, waarmee de streepjescodes kunnen worden gedetecteerd met behulp van een papieren teststrip.

De onderzoekers ontwierpen de strip om maximaal vier verschillende DNA-barcodes te detecteren, die elk de aanwezigheid van een ander protease aangeven. Er is geen voorbehandeling of verwerking van het urinemonster nodig en de resultaten zijn ongeveer 20 minuten na afname van het monster af te lezen.

"We hebben er echt op aangedrongen dat deze test een point-of-care zou zijn in een omgeving met weinig middelen, dus het idee was om geen enkele monsterverwerking uit te voeren, geen amplificatie uit te voeren, gewoon om het monster precies op het papier te kunnen zetten. en lees het in 20 minuten voor", zegt Bhatia.

Nauwkeurige diagnose

De onderzoekers testten hun diagnostische systeem bij muizen die genetisch gemanipuleerd zijn om longtumoren te ontwikkelen die vergelijkbaar zijn met die bij mensen. De sensoren werden 7,5 week nadat de tumoren zich begonnen te vormen toegediend, een tijdstip dat waarschijnlijk zou correleren met kanker in stadium 1 of 2 bij mensen.

In hun eerste reeks experimenten met muizen maten de onderzoekers de niveaus van twintig verschillende sensoren die waren ontworpen om verschillende proteasen te detecteren. Met behulp van een machine learning-algoritme om die resultaten te analyseren, identificeerden de onderzoekers een combinatie van slechts vier sensoren waarvan werd voorspeld dat ze nauwkeurige diagnostische resultaten zouden opleveren. Vervolgens testten ze die combinatie in het muismodel en ontdekten dat longtumoren in een vroeg stadium nauwkeurig konden worden gedetecteerd.

Voor gebruik bij mensen is het mogelijk dat er meer sensoren nodig zijn om een ​​nauwkeurige diagnose te stellen, maar dat zou kunnen worden bereikt door meerdere papieren strips te gebruiken, die elk vier verschillende DNA-barcodes detecteren, zeggen de onderzoekers.

De onderzoekers zijn nu van plan menselijke biopsiemonsters te analyseren om te zien of de sensorpanelen die ze gebruiken ook zouden werken om menselijke kankers te detecteren. Op de langere termijn hopen ze klinische proeven uit te voeren bij menselijke patiënten. Een bedrijf genaamd Sunbird Bio heeft al fase I-onderzoeken uitgevoerd met een soortgelijke sensor, ontwikkeld door het laboratorium van Bhatia, voor gebruik bij de diagnose van leverkanker en een vorm van hepatitis die bekend staat als niet-alcoholische steatohepatitis (NASH).

In delen van de wereld waar beperkte toegang tot CT-scans is, zou deze technologie een dramatische verbetering kunnen bieden bij de screening op longkanker, vooral omdat de resultaten tijdens één bezoek kunnen worden verkregen.

"Het idee zou zijn dat je binnenkomt en dan antwoord krijgt over de vraag of je een vervolgtest nodig hebt of niet, en dat we patiënten met vroege laesies in het systeem kunnen krijgen, zodat ze een curatieve operatie of levensreddende medicijnen kunnen krijgen," zegt Bhatia.

Meer informatie: Qian Zhong et al., Inhaleerbaar point-of-care urinediagnostisch platform, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj9591. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9591

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

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.