Los sensores inhalables podrían permitir la detección temprana del cáncer de pulmón.

5 de enero de 2024

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por Massachusetts Institute of Technology

Utilizando una nueva tecnología desarrollada en MIT, el diagnóstico del cáncer de pulmón podría ser tan fácil como inhalar sensores de nanopartículas y luego hacer una prueba de orina que revele si hay un tumor presente.

El nuevo diagnóstico se basa en nanosensores que pueden ser administrados mediante un inhalador o un nebulizador. Si los sensores se encuentran con proteínas relacionadas con el cáncer en los pulmones, producen una señal que se acumula en la orina, donde se puede detectar con una simple tira de prueba de papel.

Este enfoque podría reemplazar o complementar el estándar de oro actual para el diagnóstico del cáncer de pulmón, la tomografía computarizada de baja dosis (TC). Los investigadores afirman que podría tener un impacto especialmente significativo en países de ingresos bajos y medios que no cuentan con una amplia disponibilidad de escáneres de TC.

"En todo el mundo, el cáncer se volverá cada vez más prevalente en países de ingresos bajos y medios. La epidemiología del cáncer de pulmón a nivel mundial es impulsada por la contaminación y el tabaquismo, por lo que sabemos que esos son entornos donde la accesibilidad a este tipo de tecnología podría tener un gran impacto", dice Sangeeta Bhatia, profesora de salud y tecnología de John y Dorothy Wilson y de ingeniería eléctrica e informática en MIT, y miembro del Instituto Koch de Investigación en Cáncer Integrativa de MIT y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas.

Bhatia es la autora principal del artículo, que se publica en Science Advances. Qian Zhong, científico investigador de MIT, y Edward Tan, ex becario postdoctoral de MIT, son los autores principales del estudio.

Para ayudar a diagnosticar el cáncer de pulmón lo antes posible, el Grupo de Trabajo de Servicios Preventivos de EE. UU. recomienda que los fumadores intensos mayores de 50 años se sometan a tomografías computarizadas anuales. Sin embargo, no todos en este grupo objetivo reciben estas tomografías, y la alta tasa de falsos positivos de las tomografías puede llevar a pruebas innecesarias e invasivas.

Bhatia ha pasado la última década desarrollando nanosensores para su uso en el diagnóstico de cáncer y otras enfermedades, y en este estudio, ella y sus colegas exploraron la posibilidad de usarlos como una alternativa más accesible para la detección del cáncer de pulmón mediante TC.

Estos sensores consisten en nanopartículas de polímero recubiertas con una etiqueta identificativa, como un código de ADN, que se separa de la partícula cuando el sensor se encuentra con enzimas llamadas proteasas, que a menudo están hiperactivas en los tumores. Esas etiquetas eventualmente se acumulan en la orina y se excretan del cuerpo.

Versiones anteriores de los sensores, dirigidas a otros sitios de cáncer como el hígado y los ovarios, estaban diseñadas para ser administradas por vía intravenosa. Para el diagnóstico del cáncer de pulmón, los investigadores querían crear una versión que pudiera ser inhalada, lo que podría facilitar su uso en entornos con menos recursos.

"Cuando desarrollamos esta tecnología, nuestro objetivo era proporcionar un método que pudiera detectar el cáncer con alta especificidad y sensibilidad, y también reducir el umbral de accesibilidad, para que esperamos poder mejorar la disparidad de recursos y la desigualdad en la detección temprana del cáncer de pulmón", dice Zhong.

Para lograr eso, los investigadores crearon dos formulaciones de sus partículas: una solución que puede ser aerosolizada y administrada con un nebulizador, y un polvo seco que puede ser administrado mediante un inhalador.

Una vez que las partículas llegan a los pulmones, son absorbidas por el tejido, donde se encuentran con las proteasas que puedan estar presentes. Las células humanas pueden expresar cientos de proteasas diferentes, y algunas de ellas están hiperactivas en los tumores, donde ayudan a las células cancerosas a escapar de sus ubicaciones originales mediante la ruptura de proteínas de la matriz extracelular.

Estas proteasas cancerosas separan los códigos de ADN de los sensores, permitiendo que los códigos circulen por el torrente sanguíneo hasta que se excretan en la orina.

En las versiones anteriores de esta tecnología, los investigadores utilizaron espectrometría de masas para analizar la muestra de orina y detectar los códigos de ADN. Sin embargo, la espectrometría de masas requiere equipos que podrían no estar disponibles en áreas con pocos recursos, por lo que para esta versión, los investigadores crearon un ensayo de flujo lateral, que permite detectar los códigos utilizando una tira de prueba de papel.

Los investigadores diseñaron la tira para detectar hasta cuatro códigos de ADN diferentes, cada uno de los cuales indica la presencia de una proteasa diferente. No se requiere ningún tratamiento previo o procesamiento de la muestra de orina, y los resultados se pueden leer aproximadamente 20 minutos después de obtener la muestra.

'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.