Inhalerbare nanosensorer kan øge adgangen til lungekræftscreening – Physics World

Inhalerbare nanosensorer kan øge adgangen til lungekræftscreening – Physics World

Tidsstempel: 8. februar 2024 kl. 4:30

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/inhalable-nanosensors-could-increase-access-to-lung-cancer-screening-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/inhalable-nanosensors-could-increase-access-to-lung-cancer-screening-physics-world-2.jpg" data-caption="Indånd og opdag PATROL diagnostiske platformen inkorporerer inhalerbare nanopartikelsensorer og billige laterale flowanalyser. Det nederste panel viser et scanningselektronmikrografi af partiklerne, som er belagt med nanosensorer, der interagerer med kræftassocierede proteiner i lungerne. (Med høflighed: CC BY-ND/MIT forskere)”> PATROL diagnoseplatformen bruger inhalerbare nanopartikelsensorer
Indånd og opdag PATROL diagnostiske platformen inkorporerer inhalerbare nanopartikelsensorer og billige laterale flowanalyser. Det nederste panel viser et scanningselektronmikrografi af partiklerne, som er belagt med nanosensorer, der interagerer med kræftassocierede proteiner i lungerne. (Med høflighed: CC BY-ND/MIT forskere)

Lav-dosis CT, guldstandardteknikken til diagnosticering af lungekræft i risikogrupper, har reduceret lungekræftdødsfald med 20-25% i kliniske forsøg. Adgang til denne screeningsteknologi kan dog være begrænset i ressourcefattige omgivelser, hvilket fører til uforholdsmæssigt høj dødelighed af lungekræft i sådanne regioner. Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) håber at løse denne ulighed i tidlig påvisning af lungekræft med udviklingen af ​​en simpel test baseret på inhalation af nanopartikelsensorer.

Den nye screeningstest, beskrevet i Science Forskud, er en nålefri diagnostisk platform kaldet PATROL, der integrerer tre moduler: aktivitetsbaserede nanosensorer (ABN'er); en bærbar inhalationsenhed; og en multipleksbar papirbaseret lateral flow-analyse (LFA).

ABN'erne er lavet af polymer-nanopartikler koblet med reportere, såsom syntetiske DNA-stregkoder, via peptidsubstrater. For at identificere et minimalt sæt af prober med høj forudsigelsesevne undersøgte forskerne et bibliotek af kandidatpeptider, der spaltes ved eksponering for cancerassocierede proteaser. De udvalgte 20 peptider som potentielle nanosensorer og udførte test i mus for at identificere en kombination af fire ABN'er, der sandsynligvis vil give nøjagtige diagnostiske resultater.

For at gennemgå en screeningstest inhalerer patienten ABN'erne, som er formuleret til mikronstore aerosoler for at optimere aflejringen i lungerne. Hvis disse nanosensorer støder på cancerbiomarkører, såsom lungekræftassocierede proteaser, spaltes DNA-stregkoderne fra partiklen og frigives til kredsløbet, hvor de til sidst koncentreres i urinen. Disse reportere kan derefter påvises ved hjælp af en LFA-baseret urintest.

For hurtigt at analysere urinprøver uden behov for komplekst laboratorieudstyr udviklede holdet LFA'er, der kan kvantificere de fire forskellige DNA-stregkoder på en enkelt papirstrimmel ved stuetemperatur. Og da nanosensorerne leveres ved hjælp af en forstøver eller håndholdt inhalator, kan patienter selv administrere PATROL-testen derhjemme.

"Vi pressede virkelig på dette assay for at være et point-of-care tilgængeligt i en miljø med lav ressource, så ideen var ikke at lave nogen prøvebehandling, ikke lave nogen amplifikation, bare for at kunne placere prøven lige på papiret og læs den op på 20 minutter,” siger seniorforfatter Sangeeta Bhatia i en pressemeddelelse.

Forskerne bemærker, at PATROL kan have en særlig betydelig indvirkning i lav- og mellemindkomstlande, der ikke har udbredt tilgængelighed af CT-scannere. "Vores mål var at levere en metode, der kan detektere kræft med høj specificitet og følsomhed, og også sænke tærsklen for tilgængelighed, så vi forhåbentlig kan forbedre ressourceforskellene og uligheden i tidlig opdagelse af lungekræft," tilføjer co-lead forfatter. Qian Zhong.

In vivo vurdering

Forskerne testede, om nanosensorerne kan påvise lungekræft hos mus, og undersøgte dyr 7.5 uger efter, at tumorer begyndte at dannes (sandsynligvis korrelerer med fase 1 eller 2 kræft hos mennesker). De bemærker, at mens tørpulverinhalatorer tilbyder overlegen dyb-lungeaflejring hos mennesker, er de åndedrætsaktiverede og uegnede til gnavere. Så i stedet placerede de musene i et inhalationstårn og udsatte dem for forstøvede nanosensorer.

To timer efter ABN-inhalation indsamlede forskerne urinprøver fra dyrene og kvantificerede reporterne ved hjælp af massespektrometri. De fandt ud af, at substrater udsat for tumormikromiljøet kaster DNA-stregkoderne ud i cirkulationen, og at urinsignaler fra alle fire reportere var forskellige mellem tumorbærende og raske mus. Brug af uovervågede algoritmiske metoder muliggjorde differentiering af alle tumorbærende mus fra raske modparter.

De konkluderede, at de inhalerbare ABN'er "demonstrerer robust kraft til tidlig påvisning af autoktont lungeadenokarcinom hos mus".

Indånd og opdag

Til sidst testede forskerne ydeevnen af ​​hele PATROL-platformen "indånd og opdager". De syntetiserede DNA-kodede ABN'er på ca. 15 nm i diameter og brugte den samme lungekræftmusemodel og forstøverlevering til at validere urin-DNA-reporterdetektion ved hjælp af LFA.

Sammenligning af urinkoncentration af hver stregkode afslørede signifikante forskelle i spaltningen af ​​tre af de rapporterede prober (men ikke den fjerde) mellem raske og kræftbærende mus. Urinaflæsninger detekteret med LFA viste signal-til-støj-forhold svarende til massespektroskopimålingerne. Igen kunne uovervågede klyngealgoritmer klassificere alle musene med lungekræft i tidligt stadie.

Analyse af modtagerdriftskarakteristika (ROC) viste, at tre af proberne fungerede som kompetente enkeltklassifikatorer med areal under ROC-kurven (AUC) værdier på 0.82, 0.88 og 0.85. Kombination af de fire prober øgede AUC til 0.93. Med 100 % specificitet påviste LFA DNA-reportere med en sensitivitet på 75.2 %, sammenlignelig med mikro-CT.

Holdet undersøgte også sikkerhedsprofilen for de inhalerbare ABN'er og så ingen generel toksicitet eller tilstopning af vaskulatur hos mus syv dage efter levering af en enkelt dosis ABN'er via forstøvning.

"Samlet rummer PATROL et stort klinisk potentiale, ikke kun for at opnå både følsom og specifik lungekræftdetektion på tidlige stadier, men også for at muliggøre nem implementering i ressourcebegrænsede omgivelser," konkluderer forskerne. Dernæst planlægger de at analysere humane biopsiprøver for at se, om sensorpanelerne også kan detektere humane kræftformer, forhåbentlig efterfulgt af kliniske forsøg med humane patienter.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden