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Inhalierbare Nanosensoren könnten die Früherkennung von Lungenkrebs ermöglichen

Neuauflage von Plato
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Jan 05, 2024

(Nanowerk-Neuigkeiten) Mit einer neuen Technologie, die am MIT entwickelt wurde, könnte die Diagnose von Lungenkrebs so einfach werden wie das Einatmen von Nanopartikelsensoren und die anschließende Durchführung eines Urintests, der zeigt, ob ein Tumor vorhanden ist.

Key Take Away

  • Dieser nicht-invasive Ansatz kann als Alternative oder Ergänzung zu herkömmlichen CT-Scans dienen und ist insbesondere in Gebieten mit begrenztem Zugang zu moderner medizinischer Ausrüstung von Vorteil.
  • Die Technologie konzentriert sich auf den Nachweis krebsbedingter Proteine ​​in der Lunge. Die Ergebnisse lassen sich mithilfe eines einfachen Papierteststreifens erzielen.
  • Die für die Früherkennung von Lungenkrebs konzipierte Methode hat sich in Tiermodellen als vielversprechend erwiesen und könnte bald in klinische Studien am Menschen übergehen.
  • Diese Innovation birgt das Potenzial, das Screening und die Früherkennung von Lungenkrebs deutlich zu verbessern, insbesondere in ressourcenarmen Umgebungen.
    • diagnostische Partikel, die aerosolisiert und inhaliert werden können MIT-Ingenieure haben diagnostische Partikel entwickelt, die vernebelt und inhaliert werden können. Unten ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel zu sehen, die mit Nanosensoren beschichtet sind, die mit krebsassoziierten Proteinen in der Lunge interagieren. (Bild: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

    Das Forschungs

    Die neue Diagnose basiert auf Nanosensoren, die über einen Inhalator oder einen Vernebler abgegeben werden können. Treffen die Sensoren auf krebsrelevante Proteine ​​in der Lunge, erzeugen sie ein Signal, das sich im Urin ansammelt und dort mit einem einfachen Papierteststreifen nachgewiesen werden kann. Dieser Ansatz könnte möglicherweise den aktuellen Goldstandard für die Diagnose von Lungenkrebs, die Niedrigdosis-Computertomographie (CT), ersetzen oder ergänzen. Dies könnte besonders erhebliche Auswirkungen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen haben, in denen CT-Scanner nicht weit verbreitet sind, sagen die Forscher. „Überall auf der Welt wird Krebs in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen immer häufiger auftreten. Die Epidemiologie von Lungenkrebs weltweit geht davon aus, dass er durch Umweltverschmutzung und Rauchen verursacht wird. Daher wissen wir, dass dies Umgebungen sind, in denen der Zugang zu dieser Art von Technologie große Auswirkungen haben könnte“, sagt Sangeeta Bhatia, Professorin für Gesundheitswissenschaften bei John und Dorothy Wilson Technologie und Elektrotechnik und Informatik am MIT und Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research und des Institute for Medical Engineering and Science des MIT. Bhatia ist der leitende Autor des Artikels, der in erscheint Wissenschaft Fortschritte („Inhalierbare Point-of-Care-Urindiagnostikplattform“). Qian Zhong, ein MIT-Forscher, und Edward Tan, ein ehemaliger MIT-Postdoc, sind die Hauptautoren der Studie.

    Einatembare Partikel

    Um Lungenkrebs so früh wie möglich zu diagnostizieren, haben die USA Die Preventive Services Task Force empfiehlt starken Rauchern über 50 Jahren, sich jährlichen CT-Scans zu unterziehen. Allerdings erhält nicht jeder in dieser Zielgruppe diese Scans und die hohe Falsch-Positiv-Rate der Scans kann zu unnötigen, invasiven Tests führen. Bhatia hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, Nanosensoren für die Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten zu entwickeln. In dieser Studie untersuchten sie und ihre Kollegen die Möglichkeit, diese als leichter zugängliche Alternative zum CT-Screening auf Lungenkrebs einzusetzen. Diese Sensoren bestehen aus Polymernanopartikeln, die mit einem Reporter, etwa einem DNA-Barcode, beschichtet sind, der vom Partikel abgespalten wird, wenn der Sensor auf Enzyme namens Proteasen trifft, die in Tumoren oft überaktiv sind. Diese Reporter reichern sich schließlich im Urin an und werden vom Körper ausgeschieden. Frühere Versionen der Sensoren, die auf andere Krebsherde wie Leber und Eierstöcke abzielten, waren für die intravenöse Verabreichung konzipiert. Für die Lungenkrebsdiagnose wollten die Forscher eine inhalierbare Version entwickeln, die den Einsatz in ressourcenärmeren Umgebungen erleichtern könnte. „Als wir diese Technologie entwickelten, war es unser Ziel, eine Methode bereitzustellen, die Krebs mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit erkennen kann und gleichzeitig die Schwelle für die Zugänglichkeit senkt, so dass wir hoffentlich die Ressourcenungleichheit und Ungleichheit bei der Früherkennung von Lungenkrebs verbessern können.“ “, sagt Zhong. Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher zwei Formulierungen ihrer Partikel: eine Lösung, die aerosolisiert und mit einem Vernebler verabreicht werden kann, und ein trockenes Pulver, das mit einem Inhalator verabreicht werden kann. Sobald die Partikel die Lunge erreichen, werden sie vom Gewebe aufgenommen und treffen dort auf eventuell vorhandene Proteasen. Menschliche Zellen können Hunderte verschiedener Proteasen exprimieren, und einige von ihnen sind in Tumoren überaktiv, wo sie Krebszellen helfen, ihren ursprünglichen Standort zu verlassen, indem sie Proteine ​​der extrazellulären Matrix durchschneiden. Diese Krebsproteasen spalten DNA-Barcodes von den Sensoren ab und ermöglichen so, dass die Barcodes im Blutkreislauf zirkulieren, bis sie mit dem Urin ausgeschieden werden. In früheren Versionen dieser Technologie verwendeten die Forscher Massenspektrometrie, um die Urinprobe zu analysieren und DNA-Barcodes zu erkennen. Für die Massenspektrometrie sind jedoch Geräte erforderlich, die in Gebieten mit geringen Ressourcen möglicherweise nicht verfügbar sind. Deshalb haben die Forscher für diese Version einen Lateral-Flow-Assay entwickelt, der die Erkennung der Barcodes mithilfe eines Papierteststreifens ermöglicht. Die Forscher haben den Streifen so konzipiert, dass er bis zu vier verschiedene DNA-Barcodes erkennen kann, von denen jeder das Vorhandensein einer anderen Protease anzeigt. Es ist keine Vorbehandlung oder Aufbereitung der Urinprobe erforderlich und die Ergebnisse können etwa 20 Minuten nach der Probenentnahme abgelesen werden.

    Genaue Diagnose

    Die Forscher testeten ihr Diagnosesystem an Mäusen, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie Lungentumoren entwickeln, die denen beim Menschen ähneln. Die Sensoren wurden 7.5 Wochen nach Beginn der Tumorbildung verabreicht, ein Zeitpunkt, der beim Menschen wahrscheinlich mit Krebs im Stadium 1 oder 2 korrelieren würde. In ihrer ersten Versuchsreihe an Mäusen maßen die Forscher die Werte von 20 verschiedenen Sensoren, die verschiedene Proteasen erkennen sollen. Mithilfe eines maschinellen Lernalgorithmus zur Analyse dieser Ergebnisse identifizierten die Forscher eine Kombination aus nur vier Sensoren, die voraussichtlich genaue Diagnoseergebnisse liefern würde. Anschließend testeten sie diese Kombination im Mausmodell und stellten fest, dass sie Lungentumoren im Frühstadium genau erkennen konnte. Für den Einsatz beim Menschen sind möglicherweise mehr Sensoren erforderlich, um eine genaue Diagnose zu stellen. Dies könnte jedoch durch die Verwendung mehrerer Papierstreifen erreicht werden, von denen jeder vier verschiedene DNA-Barcodes erkennt, sagen die Forscher. Die Forscher planen nun, menschliche Biopsieproben zu analysieren, um herauszufinden, ob die von ihnen verwendeten Sensorpanels auch zur Erkennung von Krebserkrankungen beim Menschen geeignet sind. Längerfristig hoffen sie, klinische Studien an menschlichen Patienten durchführen zu können. Ein Unternehmen namens Sunbird Bio hat bereits Phase-1-Studien mit einem ähnlichen, von Bhatias Labor entwickelten Sensor zur Verwendung bei der Diagnose von Leberkrebs und einer Form von Hepatitis durchgeführt, die als nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) bekannt ist. In Teilen der Welt, in denen es nur begrenzten Zugang zu CT-Scans gibt, könnte diese Technologie eine dramatische Verbesserung der Lungenkrebs-Früherkennung bieten, insbesondere da die Ergebnisse während eines einzigen Besuchs erhalten werden können. „Die Idee wäre, dass Sie reinkommen und dann eine Antwort bekommen, ob Sie einen Folgetest benötigen oder nicht, und wir könnten Patienten mit frühen Läsionen in das System aufnehmen, damit sie eine heilende Operation oder lebensrettende Medikamente erhalten könnten.“ sagt Bhatia.
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