Lågdos-CT, guldstandardtekniken för att diagnostisera lungcancer i riskgrupper, har minskat dödsfallen i lungcancer med 20–25 % i kliniska prövningar. Tillgången till denna screeningteknik kan dock begränsas i resurssvaga miljöer, vilket leder till oproportionerligt hög dödlighet i lungcancer i sådana regioner. Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) hoppas till adressen denna inequity i tidig upptäckt av lungcancer med utvecklingen av ett enkelt test baserat på inandning av nanopartikelsensorer.
Det nya screeningtestet, beskrivet i Vetenskap Förskott, är en nålfri diagnostisk plattform som kallas PATROL som integrerar tre moduler: aktivitetsbaserade nanosensorer (ABN); en bärbar inhalationsenhet; och en multiplexbar pappersbaserad sidoflödesanalys (LFA).
ABN:erna är gjorda av polymernanopartiklar kopplade med reportrar, såsom syntetiska DNA-streckkoder, via peptidsubstrat. För att identifiera en minimal uppsättning prober med hög prediktiv kraft undersökte forskarna ett bibliotek av kandidatpeptider som klyvs vid exponering för cancerassocierade proteaser. De valde ut 20 peptider som potentiella nanosensorer och utförde tester på möss för att identifiera en kombination av fyra ABN som sannolikt kommer att ge korrekta diagnostiska resultat.
För att genomgå ett screeningtest andas patienten in ABN, som är formulerade till mikronstora aerosoler för att optimera avsättningen i lungorna. Om dessa nanosensorer möter cancerbiomarkörer, såsom lungcancerassocierade proteaser, klyvs DNA-streckkoderna från partikeln och släpps ut i cirkulationen, där de så småningom koncentreras i urinen. Dessa reportrar kan sedan upptäckas med hjälp av ett LFA-baserat urintest.
För att snabbt analysera urinprover utan behov av komplex labbutrustning, utvecklade teamet LFAs som kan kvantifiera de fyra olika DNA-streckkoderna på en enda pappersremsa vid rumstemperatur. Och eftersom nanosensorerna levereras med en nebulisator eller handhållen inhalator, kan patienterna själv administrera PATROL-testet hemma.
"Vi pressade verkligen den här analysen för att vara tillgänglig i en miljö med låga resurser, så tanken var att inte göra någon provbearbetning, inte göra någon amplifiering, bara för att kunna lägga provet rätt på papperet och läs upp den på 20 minuter”, säger senior författare Sangeeta Bhatia i ett pressmeddelande.
Forskarna noterar att PATROL kan ha en särskilt betydande inverkan i låg- och medelinkomstländer som inte har utbredd tillgång till CT-skannrar. "Vårt mål var 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 vid tidig upptäckt av lungcancer," tillägger medförfattare. Qian Zhong.
In vivo bedömning
Forskarna testade om nanosensorerna kan upptäcka lungcancer hos möss, och undersökte djur 7.5 veckor efter att tumörer började bildas (sannolikt korrelerar med cancer i stadium 1 eller 2 hos människor). De noterar att medan torrpulverinhalatorer erbjuder överlägsen djup-lungavlagring hos människor, är de andningsaktiverade och olämpliga för gnagare. Så istället placerade de mössen i ett inhalationstorn och exponerade dem för nebuliserade nanosensorer.
Två timmar efter ABN-inandning samlade forskarna urinprover från djuren och kvantifierade reportrarna med hjälp av masspektrometri. De fann att substrat som exponerats för tumörens mikromiljö släpper ut DNA-streckkoderna i cirkulationen och att urinsignaler från alla fyra reportrar skilde sig mellan tumörbärande och friska möss. Användning av oövervakade algoritmiska metoder möjliggjorde differentiering av alla tumörbärande möss från friska motsvarigheter.
De drog slutsatsen att de inhalerbara ABN:erna "uppvisar robust kraft för tidig upptäckt av mus autoktona lungadenokarcinom".
Andas in och upptäck
Slutligen testade forskarna prestandan för hela PATROL-plattformen "andas in och upptäck". De syntetiserade DNA-kodade ABN med cirka 15 nm i diameter och använde samma lungcancermusmodell och nebulisatortillförsel för att validera urin-DNA-reporterdetektering med hjälp av LFA.
Att jämföra urinkoncentrationen av varje streckkod avslöjade signifikanta skillnader i klyvningen av tre av de rapporterade sonderna (men inte den fjärde) mellan friska och cancerbärande möss. Urinavläsningar detekterade med LFA visade liknande signal-till-brus-förhållanden som masspektroskopimätningarna. Återigen kan oövervakade klustringsalgoritmer klassificera alla möss med lungcancer i tidigt stadium.
Analys av mottagarens funktionskarakteristik (ROC) visade att tre av sonderna fungerade som kompetenta enkla klassificerare, med area under ROC-kurvan (AUC) värden på 0.82, 0.88 och 0.85. Kombinationen av de fyra proberna ökade AUC till 0.93. Med 100 % specificitet upptäckte LFA DNA-reportrar med en sensitivitet på 75.2 %, jämförbar med mikro-CT.
Lungcancerscreening ökar dramatiskt överlevnaden på lång sikt
Teamet undersökte också säkerhetsprofilen för de inhalerbara ABN:erna och såg ingen allmän toxicitet eller tilltäppning av vaskulaturen hos möss sju dagar efter att ha levererat en enstaka dos av ABN via nebulisering.
"Tillsammans har PATROL stor klinisk potential, inte bara för att uppnå både känslig och specifik lungcancer upptäckt i tidiga skeden utan också för att möjliggöra enkel utplacering i resursbegränsade miljöer", avslutar forskarna. Därefter planerar de att analysera humana biopsiprover för att se om sensorpanelerna också kan upptäcka mänskliga cancerformer, förhoppningsvis följt av kliniska prövningar på mänskliga patienter.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/inhalable-nanosensors-could-increase-access-to-lung-cancer-screening/
