Inhalerbare nanosensorer kan øke tilgangen til lungekreftscreening – Physics World

Inhalerbare nanosensorer kan øke tilgangen til lungekreftscreening – Physics World

Tidsstempel: 8. februar 2024 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="Pust inn og oppdage PATROL-diagnoseplattformen inneholder inhalerbare nanopartikkelsensorer og rimelige laterale strømningsanalyser. Det nedre panelet viser et skanningselektronmikrofotografi av partiklene, som er belagt med nanosensorer som samhandler med kreftassosierte proteiner i lungene. (Med tillatelse: CC BY-ND/MIT-forskere)”> PATROL-diagnoseplattformen bruker inhalerbare nanopartikkelsensorer
Pust inn og oppdage PATROL-diagnoseplattformen inneholder inhalerbare nanopartikkelsensorer og rimelige laterale strømningsanalyser. Det nedre panelet viser et skanningselektronmikrografi av partiklene, som er belagt med nanosensorer som samhandler med kreftassosierte proteiner i lungene. (Med tillatelse: CC BY-ND/MIT forskere)

Lavdose-CT, gullstandardteknikken for diagnostisering av lungekreft i risikogrupper, har redusert lungekreftdødsfall med 20–25 % i kliniske studier. Tilgang til denne screeningsteknologien kan imidlertid være begrenset i ressurssvake omgivelser, noe som fører til uforholdsmessig høy lungekreftdødelighet i slike regioner. Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) håper å adressere denne ulikheten i tidlig oppdagelse av lungekreft med utviklingen av en enkel test basert på inhalering av nanopartikkelsensorer.

Den nye screeningtesten, beskrevet i Vitenskap Fremskritt, er en nålfri diagnostisk plattform kalt PATROL som integrerer tre moduler: aktivitetsbaserte nanosensorer (ABNs); en bærbar inhalasjonsenhet; og en multipleksbar papirbasert lateral flow-analyse (LFA).

ABN-ene er laget av polymer-nanopartikler kombinert med reportere, for eksempel syntetiske DNA-strekkoder, via peptidsubstrater. For å identifisere et minimalt sett med prober med høy prediktiv kraft, undersøkte forskerne et bibliotek av kandidatpeptider som spaltes ved eksponering for kreftassosierte proteaser. De valgte 20 peptider som potensielle nanosensorer og utførte tester på mus for å identifisere en kombinasjon av fire ABN-er som sannsynligvis vil gi nøyaktige diagnostiske resultater.

For å gjennomgå en screeningtest inhalerer pasienten ABN-ene, som er formulert til mikronstore aerosoler for å optimalisere avsetningen i lungene. Hvis disse nanosensorene møter kreftbiomarkører, slik som lungekreftassosierte proteaser, spaltes DNA-strekkodene fra partikkelen og slippes ut i sirkulasjonen, hvor de til slutt konsentreres i urinen. Disse reporterne kan deretter oppdages ved hjelp av en LFA-basert urintest.

For raskt å analysere urinprøver uten behov for komplekst laboratorieutstyr, utviklet teamet LFAer som kan kvantifisere de fire forskjellige DNA-strekkodene på en enkelt papirstrimmel ved romtemperatur. Og ettersom nanosensorene leveres med en forstøver eller håndholdt inhalator, kan pasienter selv administrere PATROL-testen hjemme.

"Vi presset virkelig på denne analysen for å være et behandlingspunkt tilgjengelig i en miljø med lite ressurser, så ideen var å ikke gjøre noen prøvebehandling, ikke foreta noen amplifikasjon, bare for å kunne sette prøven rett på papiret og les den opp på 20 minutter, sier seniorforfatter Sangeeta Bhatia i en pressemelding.

Forskerne bemerker at PATROL kan ha en spesielt betydelig innvirkning i lav- og mellominntektsland som ikke har utbredt tilgjengelighet av CT-skannere. "Målet vårt var å tilby en metode som kan oppdage kreft med høy spesifisitet og sensitivitet, og også senke terskelen for tilgjengelighet, slik at vi forhåpentligvis kan forbedre ressursforskjellen og ulikheten i tidlig oppdagelse av lungekreft," legger medlederforfatter til. Qian Zhong.

In vivo evaluering

Forskerne testet om nanosensorene kan oppdage lungekreft hos mus, og undersøkte dyr 7.5 uker etter at svulster begynte å dannes (sannsynligvis korrelerer med stadium 1 eller 2 kreft hos mennesker). De bemerker at mens tørrpulverinhalatorer tilbyr overlegen dyp-lungeavsetning hos mennesker, er de pusteaktivert og uegnet for gnagere. Så i stedet plasserte de musene i et inhalasjonstårn og utsatte dem for forstøvede nanosensorer.

To timer etter ABN-inhalasjon samlet forskerne urinprøver fra dyrene og kvantifiserte reporterne ved hjelp av massespektrometri. De fant at substrater eksponert for tumormikromiljøet kaster DNA-strekkodene ut i sirkulasjonen, og at urinsignaler fra alle fire reporterne var forskjellige mellom svulstbærende og friske mus. Bruk av uovervåkede algoritmiske metoder muliggjorde differensiering av alle svulstbærende mus fra friske kolleger.

De konkluderte med at de inhalerbare ABN-ene "demonstrerer robust kraft for tidlig påvisning av autoktont lungeadenokarsinom hos mus".

Pust inn og oppdage

Til slutt testet forskerne ytelsen til hele "inhaler og oppdager" PATROL-plattformen. De syntetiserte DNA-kodede ABN-er på omtrent 15 nm i diameter og brukte den samme lungekreftmusemodellen og forstøverleveringen for å validere urin DNA-reporterdeteksjon ved bruk av LFA.

Sammenligning av urinkonsentrasjon av hver strekkode avslørte signifikante forskjeller i spaltningen av tre av de rapporterte probene (men ikke den fjerde) mellom friske og kreftbærende mus. Urinavlesninger detektert med LFA viste lignende signal-til-støy-forhold som massespektroskopimålingene. Igjen kan uovervåkede klyngealgoritmer klassifisere alle musene med lungekreft i tidlig stadium.

Analyse av mottakerdriftskarakteristikk (ROC) viste at tre av probene fungerte som kompetente enkeltklassifiserere, med areal under ROC-kurven (AUC) verdier på 0.82, 0.88 og 0.85. Ved å kombinere de fire probene økte AUC til 0.93. Med 100 % spesifisitet oppdaget LFA DNA-reportere med en sensitivitet på 75.2 %, sammenlignbar med mikro-CT.

Teamet undersøkte også sikkerhetsprofilen til de inhalerbare ABN-ene, og så ingen generell toksisitet eller tilstopping av vaskulaturen hos mus syv dager etter å ha levert en enkelt dose ABN via forstøver.

"Samlet har PATROL et stort klinisk potensial, ikke bare for å oppnå både sensitiv og spesifikk lungekreftdeteksjon på tidlige stadier, men også for å muliggjøre enkel utplassering i ressursbegrensede omgivelser," konkluderer forskerne. Deretter planlegger de å analysere humane biopsiprøver for å se om sensorpanelene også kan oppdage kreft hos mennesker, forhåpentligvis etterfulgt av kliniske studier på menneskelige pasienter.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden