Наночастицы сконструированы таким образом, что при столкновении с опухолью они выделяют короткие последовательности ДНК, которые выводятся с мочой. Анализ этих ДНК-"штрих-кодов" может выявить отличительные особенности опухоли конкретного пациента. Исследователи разработали свой тест таким образом, чтобы его можно было проводить с помощью полоски бумаги, аналогично тесту на Covid в домашних условиях, что, как они надеются, может сделать его доступным для как можно большего числа пациентов.

"Мы пытаемся внедрять инновации в контексте предоставления технологий, доступных для стран с низким и средним уровнем доходов. Изложение этой диагностики на бумаге является частью нашей цели демократизации диагностики и создания недорогих технологий, которые могут дать вам быстрый ответ на месте оказания медицинской помощи", - говорит Сангита Бхатия, профессор медицинских наук и технологий Джона и Дороти Уилсон, электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института и член MIT.Институт интегративных исследований рака имени Коха и Институт медицинской инженерии и науки.

В тестах на мышах исследователи показали, что они могут использовать датчики для определения активности пяти различных ферментов, которые экспрессируются в опухолях. Они также показали, что их подход можно расширить, чтобы различать по меньшей мере 46 различных штрих-кодов ДНК в одном образце, используя микрофлюидное устройство для анализа образцов.

Бхатия является старшим автором статьи, которая появилась сегодня в Природные нанотехнологии Ведущим автором исследования является Лянлян Хао, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, который в настоящее время является доцентом кафедры биомедицинской инженерии Бостонского университета.

Штрих-коды ДНК

В течение нескольких лет лаборатория Бхатии занималась разработкой "синтетических биомаркеров", которые можно было бы использовать для диагностики рака. Эта работа основана на концепции обнаружения биомаркеров рака, таких как белки или циркулирующие опухолевые клетки, в образце крови пациента. Эти природные биомаркеры настолько редки, что их практически невозможно найти, особенно на ранней стадии, но синтетические биомаркеры могут быть использованы для усиления изменений меньшего масштаба, которые происходят в небольших опухолях.

В предыдущей работе Бхатия создал наночастицы, которые могут обнаруживать активность ферментов, называемых протеазами, которые помогают раковым клеткам покидать свои первоначальные местоположения или оседать в новых, прорезая белки внеклеточного матрикса. Наночастицы покрыты пептидами, которые расщепляются различными протеазами, и как только эти пептиды попадают в кровоток, их затем можно сконцентрировать и легче обнаружить в образце мочи.

Оригинальные пептидные биомаркеры были разработаны таким образом, чтобы их можно было обнаруживать на основе небольших искусственных изменений их массы с помощью масс-спектрометра. Такого рода оборудование может быть недоступно в условиях ограниченных ресурсов, поэтому исследователи решили разработать датчики, которые можно было бы анализировать более легко и по доступной цене, используя штрих-коды ДНК, которые можно считывать с помощью технологии CRISPR.

Чтобы этот подход сработал, исследователям пришлось использовать химическую модификацию под названием фосфоротиоат, чтобы защитить циркулирующие штрих-коды репортера ДНК от разрушения в крови. Эта модификация уже использовалась для повышения стабильности современных РНК-вакцин, позволяя им дольше сохраняться в организме.

Подобно пептидным репортерам, каждый штрих-код ДНК прикрепляется к наночастице с помощью линкера, который может быть расщеплен определенной протеазой. Если эта протеаза присутствует, молекула ДНК высвобождается и свободно циркулирует, в конечном итоге попадая в мочу. Для этого исследования исследователи использовали два различных типа наночастиц: одна - частица, изготовленная из полимеров, которые были одобрены FDA для использования у людей, а другая - "нанотело" - фрагмент антитела, который может быть сконструирован таким образом, чтобы накапливаться в месте опухоли.

Как только датчики выделяются в мочу, образец можно проанализировать с помощью бумажной полоски, которая распознает репортер, активируемый ферментом CRISPR под названием Cas12a. Когда в образце присутствует определенный штрих-код ДНК, Cas12a усиливает сигнал так, что его можно увидеть в виде темной полоски на бумажном тесте.

Частицы могут быть сконструированы таким образом, чтобы нести множество различных штрих-кодов ДНК, каждый из которых обнаруживает различный тип протеазной активности, что позволяет осуществлять "мультиплексированное" зондирование. Использование большего количества датчиков повышает как чувствительность, так и специфичность, позволяя тесту легче различать типы опухолей.

Признаки болезни

В тестах на мышах исследователи показали, что панель из пяти штрих-кодов ДНК может точно отличать опухоли, которые впервые возникли в легких, от опухолей, образованных клетками колоректального рака, которые дали метастазы в легкие.

"Наша цель здесь - создать сигнатуры заболеваний и посмотреть, сможем ли мы использовать эти панели со штрих-кодом не только для считывания болезни, но и для классификации заболевания или различения различных типов рака", - говорит Хао.

Исследователи ожидают, что для использования на людях им, возможно, потребуется использовать более пяти штрих-кодов, поскольку опухоли пациентов очень разнообразны. Чтобы помочь достичь этой цели, они работали с исследователями из Института Брода Массачусетского технологического института и Гарварда во главе с профессором Гарвардского университета Пардисом Сабети над созданием микрофлюидного чипа, который можно использовать для считывания до 46 различных штрих-кодов ДНК из одного образца.

Этот вид тестирования может быть использован не только для выявления рака, но и для измерения того, насколько хорошо опухоль пациента реагирует на лечение и не рецидивировала ли она после лечения. В настоящее время исследователи работают над дальнейшей разработкой частиц с целью тестирования их на людях. Glympse Bio, компания, соучредителем которой является Бхатия, провела первую фазу клинических испытаний более ранней версии мочевых диагностических частиц и установила, что они безопасны для пациентов.

В дополнение к Бхатии, Хао и Сабети, соавторами исследования являются Рене Т. Чжао, Николь Л. Уэлч, Эдвард Ках Вэй Тан, Цянь Чжун, Нур Саида Харзалла, Чайанон Нгамбенджавонг, Генри Ко и Хизер Э. Флеминг.

Исследование финансировалось при поддержке Института Коха (core). Грант Национального института рака, грант Базового центра Национального института наук о здоровье окружающей среды, Центр наномедицины рака Marble при Институте Коха, Программа пограничных исследований Института Коха, Фонд исследований рака Вирджинии и Д.К. Людвига и премия "Путь к независимости" от Национального института рака..