Inhalierbare Sensoren könnten eine frühzeitige Erkennung von Lungenkrebs ermöglichen.

5. Januar 2024

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vom Massachusetts Institute of Technology

Mithilfe einer neuen Technologie, die am MIT entwickelt wurde, könnte die Diagnose von Lungenkrebs so einfach werden wie das Einatmen von Nanopartikelsensoren und dann die Durchführung eines Urintests, der anzeigt, ob ein Tumor vorhanden ist.

Die neue Diagnose basiert auf Nanosensoren, die mit einem Inhalator oder einem Vernebler verabreicht werden können. Wenn die Sensoren krebsspezifische Proteine in den Lungen erkennen, erzeugen sie ein Signal, das sich im Urin anreichert und mit einem einfachen Papier-Teststreifen nachgewiesen werden kann.

Dieser Ansatz könnte potenziell die aktuelle Goldstandardmethode zur Diagnose von Lungenkrebs, die Niedrigdosis-Computertomographie (CT), ersetzen oder ergänzen. Insbesondere in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, in denen CT-Scanner nicht weit verbreitet verfügbar sind, könnte dies laut den Forschern eine signifikante Auswirkung haben.

"Weltweit wird Krebs in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen immer häufiger auftreten. Die Epidemiologie von Lungenkrebs ist weltweit von Verschmutzung und Rauchen geprägt, sodass wir wissen, dass solche Einstellungen, in denen diese Art von Technologie zugänglich ist, eine große Wirkung haben könnten", sagt Sangeeta Bhatia, John und Dorothy Wilson Professorin für Gesundheitswissenschaften und -technologie sowie Elektrotechnik und Informatik am MIT und Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research und des Institute for Medical Engineering and Science.

Bhatia ist die leitende Autorin der Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde. Qian Zhong, ein Forscher am MIT, und Edward Tan, ein ehemaliger Postdoc am MIT, sind die Hauptautoren der Studie.

Um Lungenkrebs so früh wie möglich zu diagnostizieren, empfiehlt die US Preventive Services Task Force, dass schwere Raucher über 50 Jahren jährlich eine CT-Untersuchung durchführen lassen. Allerdings erhalten nicht alle Personen in dieser Zielgruppe diese Untersuchungen und die hohe Rate an falsch-positiven Ergebnissen der Scans kann zu unnötigen invasiven Tests führen.

Bhatia hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, Nanosensoren zur Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten zu entwickeln. In dieser Studie untersuchte sie zusammen mit ihren Kollegen die Möglichkeit, sie als eine zugänglichere Alternative zur CT-Untersuchung bei der Diagnose von Lungenkrebs einzusetzen.

Diese Sensoren bestehen aus polymeren Nanopartikeln, die mit einem Reporter wie einem DNA-Barcode beschichtet sind, der vom Partikel abgespalten wird, wenn der Sensor auf Enzyme namens Proteasen trifft, die in Tumoren oft überaktiv sind. Diese Reporter sammeln sich schließlich im Urin an und werden aus dem Körper ausgeschieden.

Frühere Versionen der Sensoren, die andere Krebsarten wie Leber- und Eierstockkrebs anvisierten, wurden intravenös verabreicht. Für die Diagnose von Lungenkrebs wollten die Forscher eine Version entwickeln, die eingeatmet werden kann, was die Anwendung in ressourcenärmeren Umgebungen erleichtern könnte.

"Bei der Entwicklung dieser Technologie bestand unser Ziel darin, eine Methode bereitzustellen, die Krebs mit hoher Spezifität und Sensitivität erkennen kann und gleichzeitig die Zugänglichkeit verbessert, um hoffentlich die Ressourcenunterschiede und die Ungleichheit bei der frühen Erkennung von Lungenkrebs zu verringern", sagt Zhong.

Dafür haben die Forscher zwei Formulierungen ihrer Partikel entwickelt: eine Lösung, die mit einem Vernebler aerosolisiert und verabreicht werden kann, und ein Trockenpulver, das mit einem Inhalator eingenommen werden kann.

Sobald die Partikel die Lungen erreichen, werden sie vom Gewebe aufgenommen, wo sie auf eventuell vorhandene Proteasen treffen. Menschliche Zellen können hunderte verschiedene Proteasen exprimieren, von denen einige in Tumoren überaktiv sind und den Krebszellen helfen, ihre ursprünglichen Standorte zu verlassen, indem sie Proteine der extrazellulären Matrix durchschneiden.

Diese krebsartigen Proteasen spalten DNA-Barcodes von den Sensoren ab, sodass die Barcodes im Blutkreislauf zirkulieren können, bis sie im Urin ausgeschieden werden.

In früheren Versionen dieser Technologie verwendeten die Forscher die Massenspektrometrie, um die Urinprobe zu analysieren und DNA-Barcodes nachzuweisen. Die Massenspektrometrie erfordert jedoch Geräte, die in ressourcenärmeren Gebieten möglicherweise nicht verfügbar sind. Daher haben die Forscher für diese Version einen Lateraler-Flow-Assay entwickelt, der es ermöglicht, die Barcodes mithilfe eines Teststreifens aus Papier nachzuweisen.

Die Forscher haben den Teststreifen so konzipiert, dass er bis zu vier verschiedene DNA-Barcodes nachweisen kann, von denen jeder auf das Vorhandensein einer anderen Protease hinweist. Es ist keine Vorbehandlung oder Verarbeitung der Urinprobe erforderlich und die Ergebnisse können etwa 20 Minuten nach der Probenentnahme abgelesen werden.

'We were really pushing this assay to be point-of-care available in a low-resource setting, so the idea was to not do any sample processing, not do any amplification, just to be able to put the sample right on the paper and read it out in 20 minutes,' Bhatia says.

The researchers tested their diagnostic system in mice that are genetically engineered to develop lung tumors similar to those seen in humans. The sensors were administered 7.5 weeks after the tumors started to form, a time point that would likely correlate with stage 1 or 2 cancer in humans.

In their first set of experiments in the mice, the researchers measured the levels of 20 different sensors designed to detect different proteases. Using a machine learning algorithm to analyze those results, the researchers identified a combination of just four sensors that was predicted to give accurate diagnostic results. They then tested that combination in the mouse model and found that it could accurately detect early-stage lung tumors.

For use in humans, it's possible that more sensors might be needed to make an accurate diagnosis, but that could be achieved by using multiple paper strips, each of which detects four different DNA barcodes, the researchers say.

The researchers now plan to analyze human biopsy samples to see if the sensor panels they are using would also work to detect human cancers. In the longer term, they hope to perform clinical trials in human patients. A company called Sunbird Bio has already run Phase I trials on a similar sensor developed by Bhatia's lab, for use in diagnosing liver cancer and a form of hepatitis known as nonalcoholic steatohepatitis (NASH).

In parts of the world where there is limited access to CT scanning, this technology could offer a dramatic improvement in lung cancer screening, especially since the results can be obtained during a single visit.

'The idea would be you come in and then you get an answer about whether you need a follow-up test or not, and we could get patients who have early lesions into the system so that they could get curative surgery or lifesaving medicines,' Bhatia says.

Journal information: Science Advances

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.