Membuka Deteksi Dini Kanker Paru-Paru Dengan Nanosensor Inhalasi MIT

Diagnosisnya, yang hanya memerlukan tes urine sederhana untuk membaca hasilnya, dapat membuat skrining kanker paru-paru lebih mudah diakses di seluruh dunia.

Menggunakan teknologi baru yang dikembangkan di DENGANmendiagnosis kanker paru-paru bisa semudah menghirup sensor nanopartikel dan kemudian melakukan tes urine untuk mengetahui apakah ada tumor.

Diagnostik baru ini didasarkan pada nanosensor yang dapat diberikan melalui inhaler atau nebulizer. Jika sensor menemukan protein terkait kanker di paru-paru, mereka menghasilkan sinyal yang terakumulasi dalam urin, yang kemudian dapat dideteksi dengan strip tes kertas sederhana.

Pendekatan ini berpotensi menggantikan atau melengkapi standar emas saat ini untuk mendiagnosis kanker paru-paru, yaitu computerized tomography (CT) dosis rendah. Hal ini dapat mempunyai dampak yang sangat signifikan di negara-negara berpendapatan rendah dan menengah yang tidak memiliki ketersediaan pemindai CT yang luas, kata para peneliti.

Aksesibilitas dan Dampak Global

“Di seluruh dunia, kanker akan menjadi semakin umum terjadi di negara-negara berpendapatan rendah dan menengah. Epidemiologi kanker paru-paru secara global disebabkan oleh polusi dan merokok, jadi kita tahu bahwa di wilayah tersebut akses terhadap teknologi semacam ini bisa berdampak besar,” kata Sangeeta Bhatia, Profesor Ilmu Kesehatan dan Dorothy Wilson di John dan Dorothy Wilson. Teknologi dan Teknik Elektro dan Ilmu Komputer di MIT, dan anggota Institut Koch untuk Penelitian Kanker Integratif MIT dan Institut Teknik dan Sains Medis.

Bhatia adalah penulis senior makalah ini, yang diterbitkan baru-baru ini di Kemajuan Ilmu Pengetahuan. Qian Zhong, seorang ilmuwan peneliti MIT, dan Edward Tan, mantan postdoc MIT, adalah penulis utama penelitian ini.

Nanosensor: Alat Diagnostik yang Lebih Mudah Diakses

Untuk membantu mendiagnosis kanker paru-paru sedini mungkin, Satuan Tugas Layanan Pencegahan AS merekomendasikan agar perokok berat yang berusia di atas 50 tahun menjalani CT scan tahunan. Namun, tidak semua orang dalam kelompok sasaran ini menerima pemindaian ini, dan tingginya tingkat positif palsu dari pemindaian tersebut dapat menyebabkan tes invasif yang tidak perlu.

Bhatia telah menghabiskan dekade terakhir mengembangkan nanosensor untuk digunakan dalam mendiagnosis kanker dan penyakit lainnya, dan dalam penelitian ini, dia dan rekan-rekannya menjajaki kemungkinan menggunakannya sebagai alternatif yang lebih mudah diakses dibandingkan skrining CT untuk kanker paru-paru.

Sensor ini terdiri dari nanopartikel polimer yang dilapisi reporter, seperti a DNA barcode, yang terpecah dari partikel ketika sensor bertemu dengan enzim yang disebut protease, yang sering kali terlalu aktif pada tumor. Para reporter tersebut akhirnya menumpuk di urin dan dikeluarkan dari tubuh.

Sensor versi sebelumnya, yang menargetkan situs kanker lain seperti hati dan ovarium, dirancang untuk diberikan secara intravena. Untuk diagnosis kanker paru-paru, para peneliti ingin membuat versi yang dapat dihirup, yang dapat mempermudah penerapannya di lingkungan dengan sumber daya yang lebih rendah.

“Saat kami mengembangkan teknologi ini, tujuan kami adalah menyediakan metode yang dapat mendeteksi kanker dengan spesifisitas dan sensitivitas tinggi, serta menurunkan ambang batas aksesibilitas, sehingga diharapkan dapat memperbaiki disparitas dan kesenjangan sumber daya dalam deteksi dini kanker paru-paru. kata Zhong.

Kemudahan Penggunaan dan Potensi Deteksi Dini

Untuk mencapai hal tersebut, para peneliti menciptakan dua formulasi partikel mereka: larutan yang dapat dibuat menjadi aerosol dan disalurkan dengan nebulizer, dan bubuk kering yang dapat disalurkan menggunakan inhaler.

Begitu partikel mencapai paru-paru, partikel tersebut diserap ke dalam jaringan, tempat partikel tersebut bertemu dengan protease apa pun yang mungkin ada. Sel manusia dapat mengekspresikan ratusan protease berbeda, dan beberapa di antaranya terlalu aktif pada tumor, sehingga membantu sel kanker keluar dari lokasi aslinya dengan memotong protein matriks ekstraseluler. Protease kanker ini memotong kode batang DNA dari sensor, memungkinkan kode batang tersebut bersirkulasi dalam aliran darah hingga dikeluarkan melalui urin.

Pada versi awal teknologi ini, para peneliti menggunakan spektrometri massa untuk menganalisis sampel urin dan mendeteksi kode batang DNA. Namun, spektrometri massa memerlukan peralatan yang mungkin tidak tersedia di wilayah dengan sumber daya rendah, jadi untuk versi ini, para peneliti membuat uji aliran lateral, yang memungkinkan kode batang dideteksi menggunakan strip uji kertas.

Para peneliti merancang strip tersebut untuk mendeteksi hingga empat kode batang DNA berbeda, yang masing-masing menunjukkan keberadaan protease berbeda. Tidak diperlukan pra-perawatan atau pemrosesan sampel urin, dan hasilnya dapat dibaca sekitar 20 menit setelah sampel diperoleh.

“Kami benar-benar mendorong pengujian ini agar tersedia di tempat perawatan di lingkungan dengan sumber daya rendah, jadi idenya adalah untuk tidak melakukan pemrosesan sampel apa pun, tidak melakukan amplifikasi apa pun, hanya agar dapat menempatkan sampel tepat di atas kertas. dan membacanya dalam 20 menit,” kata Bhatia.

Diagnosis Akurat

Para peneliti menguji sistem diagnostik mereka pada tikus yang direkayasa secara genetik untuk mengembangkan tumor paru-paru serupa dengan yang terlihat pada manusia. Sensor tersebut diberikan 7,5 minggu setelah tumor mulai terbentuk, suatu titik waktu yang kemungkinan berkorelasi dengan kanker stadium 1 atau 2 pada manusia.

Dalam rangkaian percobaan pertama mereka pada tikus, para peneliti mengukur tingkat 20 sensor berbeda yang dirancang untuk mendeteksi protease berbeda. Menggunakan sebuah pembelajaran mesin algoritma untuk menganalisis hasil tersebut, para peneliti mengidentifikasi kombinasi empat sensor saja yang diprediksi memberikan hasil diagnostik yang akurat. Mereka kemudian menguji kombinasi tersebut pada model tikus dan menemukan bahwa kombinasi tersebut dapat secara akurat mendeteksi tumor paru-paru tahap awal.

Untuk digunakan pada manusia, mungkin diperlukan lebih banyak sensor untuk membuat diagnosis yang akurat, namun hal itu dapat dicapai dengan menggunakan beberapa strip kertas, yang masing-masing mendeteksi empat kode batang DNA berbeda, kata para peneliti.

Para peneliti sekarang berencana menganalisis sampel biopsi manusia untuk melihat apakah panel sensor yang mereka gunakan juga dapat berfungsi mendeteksi kanker pada manusia. Dalam jangka panjang, mereka berharap dapat melakukan uji klinis pada pasien manusia. Sebuah perusahaan bernama Sunbird Bio telah menjalankan uji coba fase 1 pada sensor serupa yang dikembangkan oleh laboratorium Bhatia, untuk digunakan dalam mendiagnosis kanker hati dan suatu bentuk hepatitis yang dikenal sebagai nonalcoholic steatohepatitis (NASH).

Di negara-negara yang akses terhadap CT scan terbatas, teknologi ini dapat memberikan kemajuan yang signifikan dalam skrining kanker paru-paru, terutama karena hasilnya dapat diperoleh dalam satu kunjungan.

“Idenya adalah Anda masuk dan mendapatkan jawaban apakah Anda memerlukan tes lanjutan atau tidak, dan kita bisa memasukkan pasien yang memiliki lesi dini ke dalam sistem sehingga mereka bisa mendapatkan operasi kuratif atau obat-obatan yang menyelamatkan nyawa,” kata Bhatia.

Referensi: “Platform diagnostik saluran kemih di tempat perawatan inhalasi” oleh Qian Zhong, Edward KW Tan, Carmen Martin-Alonso, Tiziana Parisi, Liangliang Hao, Jesse D. Kirkpatrick, Tarek Fadel, Heather E. Fleming, Tyler Jacks dan Sangeeta N Bhatia, 5 Januari 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adj9591

Pekerjaan tambahan terkait didukung oleh Marble Center for Cancer Nanomedicine dan Koch Institute Frontier Research Program melalui Upstage Lung Cancer.