Onderzoekers van SUTD hebben een geavanceerd systeem voor de detectie van borstkankercellen ontwikkeld met verbeterde snelheid en gevoeligheid, waarbij ze een viraal mechanisme gebruiken om de detectienauwkeurigheid van het hulpmiddel te verbeteren.

In de mondiale strijd tegen borstkanker kan de kracht van diagnostische hulpmiddelen het verschil betekenen tussen leven en dood. De overlevingspercentages voor de ziekte worden aanzienlijk verbeterd als de kanker vroeg wordt ontdekt, terwijl detectie na de behandeling van cruciaal belang is om de effectiviteit van de behandeling te verifiëren.

Biomarkers zijn belangrijk in het arsenaal aan kankeronderzoek, omdat ze vroege detectie vergemakkelijken en na de behandeling kwaadaardige cellen kunnen helpen identificeren om te bepalen of er nog sporen van kanker zijn. Het bereiken van acute gevoeligheid is daarom cruciaal. De relatieve hoeveelheid kankercellen in een vroeg stadium of na de behandeling is echter vaak minuscuul, waardoor de detectie ervan lastig is.

Universitair hoofddocent Desmond Loke van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) stelde een nieuwe oplossing voor dit probleem voor in een recent artikel:"Vorm complementariteitsprocessen voor ultrakorte uitbarstingsgevoelige M13-PEG-WS2-aangedreven MCF-7 kankercelsensoren, " gepubliceerd op Nanoschaal .

"De meerderheid van de patiënten vertoont in de vroege stadia geen symptomen, en de bestaande diagnostische technieken, die onnauwkeurig, kostbaar en tijdrovend kunnen zijn, omvatten beeldvormende tests", legt Loke, de hoofdonderzoeker van het project, uit. "Het doel van het onderzoek was om een ​​platform te creëren dat borstkanker bij patiënten kan identificeren en behandelen voordat ze ernstige symptomen vertonen."

Om een ​​celdetectiesysteem met de hoogst mogelijke gevoeligheid te ontwikkelen, leidde Loke een onderzoeksteam – bestaande uit medewerkers van SUTD en medewerkers van University College London en A*STAR – dat instrumenten op de kleinst denkbare schaal gebruikte en met nanomaterialen werkte. De huidige technologie voor de detectie van kankercellen is een digitale biomoleculaire sensor (DBS).

Het mechanisme werkt als volgt:een chemisch herkenningselement identificeert deze moleculen en zet hun interactie om in een digitaal signaal dat eenvoudig kan worden gemeten en geanalyseerd. Deze technologie lijkt op een zeer gespecialiseerd detectiemiddel op moleculair niveau, met het vermogen om specifieke biologische doelwitten, zoals kankerceleiwitten, te identificeren en die informatie te vertalen in elektrische signalen die onderzoekers kunnen gebruiken voor diagnostisch onderzoek of monitoring.

Dit systeem is echter niet bijzonder bruikbaar voor populaties met een laag celgetal. Het onderzoeksteam veronderstelde een nieuw ontworpen systeem dat een hogere gevoeligheid zou opleveren met verbetering van een zeer geleidend nanomateriaal met een streng virale fagen die interageren met specifieke kankercellen.

Om het systeem te verbeteren was een nieuw 2D-nanomateriaal nodig met voldoende elektrische geleidbaarheid om een ​​sterke interactie aan te gaan met kankerceltypen. De onderzoekers kozen voor wolfraamdisulfide vanwege de hoge geleidbaarheid en het gebruik in fototransistoren en fotothermische therapie. Ze voorzagen vellen wolfraamdisulfide van een faag-gecombineerd polymeer dat fungeerde als herkenningselement voor de geteste borstkankerceltypen. Door het virale agens, of het faag-gecombineerde polymeer, in het nanomateriaal te integreren ontstond een nieuw systeem genaamd faag-gebaseerde DBS (P-DBS).

“Voor de P-DBS-technologie kunnen de eiwitten van het virus, wanneer een virus aan het monster van borstkankercellen wordt toegevoegd, een hoge specificiteit vertonen voor assemblage op borstkankercellen. Het is echter mogelijk dat het viruseiwit een specificiteit vertoont die is hoog genoeg om zich op borstkankercellen te kunnen assembleren voor een zeer klein aantal cellen, wat resulteert in een ultrahoge detectienauwkeurigheid", aldus Loke.

Voor dit project werden borstkankercellen bestudeerd omdat virale eiwitten zich gemakkelijk op hun oppervlak assembleren, waardoor een soepelere verbinding tussen het P-DBS-biosensorplatform en de monstercellen mogelijk is. Volgens Loke maakt dit vorm-complementariteitseffect "ultra-nauwkeurige bemonstering mogelijk, wat essentieel is voor de vroege detectie van kanker en het monitoren van de ziekteprogressie."

Er moet aan vier criteria worden voldaan om een ​​biosensor als zeer effectief te beschouwen in een klinische context. De biosensor moet (1) zeer gevoelig zijn voor de aanwezigheid van kankerceleiwitten, (2) een duidelijk contrast in de uitgangssignalen produceren, (3) een hoge levensvatbaarheid van de cellen garanderen en (4) resultaten opleveren binnen de korte leestijd die gebruikelijk is bij klinische toepassingen. .

P-DBS heeft alle vakjes gecontroleerd, met redelijke gevoeligheid. De nieuwe techniek was in staat de aanwezigheid van kankercellen te identificeren in monsters die ongeveer 74% kleiner waren dan de typische celgroepgroottes van andere op elektriciteit gebaseerde kankercelsensoren. De P-DBS presteerde ook 58% beter dan andere elektrische kankersensoren wat betreft signaalcontrast.

Deze indrukwekkende resultaten kunnen worden toegeschreven aan de specificiteit van het virale eiwit, waarvan de onderzoekers aantoonden dat het zich op zelfs het kleinste aantal borstkankercellen zou verzamelen en daarom de aanwezigheid van kanker zelfs in een vroeg stadium zou kunnen aantonen.

"De creatie van het virusgestuurde 2D-materiaalsensorplatform zou een aanzienlijke vooruitgang kunnen betekenen in de strijd tegen borstkanker. Als de bevindingen in toekomstige klinische onderzoeken worden bevestigd, kan deze sensor een waardevol, nauwkeurig hulpmiddel worden voor het identificeren van borstkanker in een vroeg stadium ," voegde Loke toe.

Door verder onderzoek hoopt hij te bevestigen dat het P-DBS-systeem breed toepasbaar is op verschillende typen borstkankercellen. Het innovatieve biosensorplatform zou van belang kunnen zijn voor de vroege diagnose en monitoring van kanker, en zou een veelbelovende weg kunnen demonstreren op het gebied van biomoleculaire sensoren op nanoschaal.

Meer informatie: Maria P. Meivita et al, Vormcomplementariteitsprocessen voor ultrakorte burst-gevoelige M13–PEG–WS2-aangedreven MCF-7 kankercelsensoren, Nanoschaal (2023). DOI:10.1039/D3NR03573E

Journaalinformatie: Nanoschaal

Aangeboden door de Singapore University of Technology and Design