Inhalerbara sensorer kan möjliggöra tidig upptäckt av lungcancer

MIT engineers have designed diagnostic particles that can be aerosolized and inhaled. At bottom is a scanning electron micrograph of the particles, which are coated with nanosensors that interact with cancer-associated proteins in the lungs. Credit: MIT researchers
MIT engineers have designed diagnostic particles that can be aerosolized and inhaled. At bottom is a scanning electron micrograph of the particles, which are coated with nanosensors that interact with cancer-associated proteins in the lungs. Credit: MIT researchers

Med hjälp av en ny teknik som utvecklats vid MIT kan diagnos av lungcancer bli lika enkel som att andas in nanopartikelsensorer och sedan ta ett urinprov som visar om det finns en tumör.

Den nya diagnostiken bygger på nanosensorer som kan tillföras via en inhalator eller nebulisator. Om sensorerna stöter på cancerrelaterade proteiner i lungorna producerar de en signal som ackumuleras i urinen, där den kan detekteras med en enkel pappersremsa.

Denna metod skulle potentiellt kunna ersätta eller komplettera den nuvarande guldstandarden för diagnos av lungcancer, lågdos datortomografi (CT). Det kan få särskilt stor betydelse i låg- och medelinkomstländer som inte har tillgång till CT-skannrar i någon större utsträckning, enligt forskarna.

”Runt om i världen kommer cancer att bli allt vanligare i låg- och medelinkomstländer. Epidemiologin för lungcancer globalt är att den drivs av föroreningar och rökning, så vi vet att det är inställningar där tillgången till denna typ av teknik kan ha stor inverkan”, säger Sangeeta Bhatia, John and Dorothy Wilson Professor of Health Sciences and Technology and of Electrical Engineering and Computer Science vid MIT, och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science.

Bhatia är senior författare till artikeln, som publiceras i Science Advances. Qian Zhong, forskare vid MIT, och Edward Tan, tidigare postdoktor vid MIT, är huvudförfattare till studien.
Partiklar som går att andas in

För att lungcancer ska kunna diagnostiseras så tidigt som möjligt rekommenderar U.S. Preventive Services Task Force att storrökare över 50 år genomgår årliga CT-scanningar. Det är dock inte alla i denna målgrupp som genomgår dessa undersökningar, och den höga andelen falska positiva resultat kan leda till onödiga och invasiva tester.

Bhatia har ägnat det senaste decenniet åt att utveckla nanosensorer för diagnos av cancer och andra sjukdomar, och i den här studien undersökte hon och hennes kollegor möjligheten att använda dem som ett mer tillgängligt alternativ till CT-screening för lungcancer.

Dessa sensorer består av polymera nanopartiklar som är belagda med en rapportör, t.ex. en DNA-streckkod, som klyvs från partikeln när sensorn stöter på enzymer som kallas proteaser, vilka ofta är överaktiva i tumörer. Dessa rapportörer ackumuleras så småningom i urinen och utsöndras från kroppen.

Tidigare versioner av sensorerna, som var inriktade på andra cancerområden såsom levern och äggstockarna, var utformade för att ges intravenöst. För diagnos av lungcancer ville forskarna skapa en version som kunde inhaleras, vilket skulle göra den lättare att använda i miljöer med mindre resurser.

”När vi utvecklade den här tekniken var vårt mål att tillhandahålla en metod som kan upptäcka cancer med hög specificitet och känslighet, och även sänka tröskeln för tillgänglighet, så att vi förhoppningsvis kan förbättra resursskillnaderna och ojämlikheten när det gäller tidig upptäckt av lungcancer”, säger Zhong.

För att uppnå detta skapade forskarna två formuleringar av sina partiklar: en lösning som kan aerosoliseras och administreras med en nebulisator, och ett torrt pulver som kan administreras med en inhalator.

När partiklarna når lungorna absorberas de i vävnaden, där de möter eventuella proteaser som kan finnas där. Mänskliga celler kan uttrycka hundratals olika proteaser, och vissa av dem är överaktiva i tumörer, där de hjälper cancercellerna att ta sig ut från sin ursprungliga plats genom att skära igenom proteiner i den extracellulära matrisen.

Dessa cancerproteaser klyver DNA-streckkoder från sensorerna, vilket gör att streckkoderna kan cirkulera i blodomloppet tills de utsöndras i urinen.

I de tidigare versionerna av denna teknik använde forskarna masspektrometri för att analysera urinprovet och upptäcka DNA-streckkoder. Masspektrometri kräver dock utrustning som kanske inte är tillgänglig i lågresursområden, så för den här versionen skapade forskarna en lateral flödesanalys, som gör att streckkoderna kan detekteras med en testremsa av papper.

Forskarna har utformat remsan så att den kan detektera upp till fyra olika DNA-streckkoder, som var och en indikerar förekomsten av olika proteas. Ingen förbehandling eller bearbetning av urinprovet krävs, och resultaten kan avläsas cirka 20 minuter efter att provet har tagits.

”Vi ville verkligen att den här analysen skulle vara tillgänglig direkt i vården i en miljö med små resurser, så tanken var att inte göra någon provbehandling, inte göra någon amplifiering, utan bara kunna lägga provet direkt på papperet och läsa av det på 20 minuter”, säger Bhatia.
Exakt diagnos

Forskarna testade sitt diagnossystem på möss som är genetiskt modifierade för att utveckla lungtumörer som liknar dem som ses hos människor. Sensorerna administrerades 7,5 veckor efter det att tumörerna började bildas, en tidpunkt som sannolikt skulle motsvara cancer i stadium 1 eller 2 hos människor.

I sin första uppsättning experiment på mössen mätte forskarna nivåerna av 20 olika sensorer som var utformade för att detektera olika proteaser. Med hjälp av en maskininlärningsalgoritm för att analysera dessa resultat identifierade forskarna en kombination av endast fyra sensorer som förutspåddes ge korrekta diagnostiska resultat. De testade sedan denna kombination i en musmodell och fann att den med hög precision kunde upptäcka lungtumörer i ett tidigt stadium.

För användning på människor är det möjligt att fler sensorer kan behövas för att ställa en korrekt diagnos, men det skulle kunna uppnås genom att använda flera pappersremsor, som var och en upptäcker fyra olika DNA-streckkoder, säger forskarna.

Forskarna planerar nu att analysera biopsiprover från människor för att se om de sensorpaneler som de använder också skulle fungera för att upptäcka cancer hos människor. På längre sikt hoppas de kunna utföra kliniska prövningar på mänskliga patienter. Företaget Sunbird Bio har redan genomfört fas I-försök med en liknande sensor som utvecklats av Bhatias laboratorium, för diagnos av levercancer och en form av hepatit som kallas ickealkoholisk steatohepatit (NASH).

I delar av världen där tillgången till datortomografi är begränsad skulle denna teknik kunna innebära en dramatisk förbättring av screeningen för lungcancer, särskilt eftersom resultaten kan erhållas under ett enda besök.

”Tanken är att man kommer in och sedan får svar på om man behöver ett uppföljningstest eller inte, och vi skulle kunna få in patienter som har tidiga lesioner i systemet så att de kan få botande kirurgi eller livräddande läkemedel”, säger Bhatia.

Ytterligare information: Qian Zhong et al, Inhalable point-of-care urinary diagnostic platform, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adj9591. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9591

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.