Les capteurs inhalables pourraient permettre la détection précoce du cancer du poumon.

5 janvier 2024

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par Massachusetts Institute of Technology

En utilisant une nouvelle technologie développée au MIT, le diagnostic du cancer du poumon pourrait devenir aussi simple que l'inhalation de capteurs de nanoparticules, suivie d'un test urinaire révélant la présence ou non d'une tumeur.

Le nouveau diagnostic est basé sur des nanocapteurs qui peuvent être administrés par un inhalateur ou un nébuliseur. Si les capteurs rencontrent des protéines liées au cancer dans les poumons, ils produisent un signal qui s'accumule dans l'urine, où il peut être détecté à l'aide d'une simple bandelette de test en papier.

Cette approche pourrait potentiellement remplacer ou compléter la tomodensitométrie (TDM) à faible dose, l'actuelle référence en matière de diagnostic du cancer du poumon. Les chercheurs affirment que cela pourrait avoir un impact particulièrement significatif dans les pays à revenu faible et intermédiaire qui ne disposent pas d'une disponibilité généralisée de scanners TDM.

« Dans le monde entier, le cancer deviendra de plus en plus prévalent dans les pays à revenu faible et intermédiaire. L'épidémiologie du cancer du poumon au niveau mondial est liée à la pollution et au tabagisme, nous savons donc que ce sont des contextes où l'accessibilité à ce type de technologie pourrait avoir un grand impact », déclare Sangeeta Bhatia, professeure de sciences de la santé et des technologies, de génie électrique et informatique au MIT, et membre de l'Institut Koch pour la recherche sur le cancer intégrative et de l'Institut de génie médical et scientifique du MIT.

Bhatia est l'auteure principale de l'article, publié dans Science Advances. Qian Zhong, scientifique de recherche au MIT, et Edward Tan, ancien chercheur postdoctoral au MIT, sont les auteurs principaux de l'étude.

Pour aider à diagnostiquer le cancer du poumon le plus tôt possible, le Groupe de travail des services préventifs aux États-Unis recommande aux gros fumeurs de plus de 50 ans de subir des analyses TDM annuelles. Cependant, tout le monde dans ce groupe cible ne reçoit pas ces analyses et le taux élevé de faux positifs peut entraîner des tests invasifs inutiles.

Bhatia a passé la dernière décennie à développer des nanocapteurs pour le diagnostic du cancer et d'autres maladies. Dans cette étude, elle et ses collègues ont exploré la possibilité de les utiliser comme alternative plus accessible au dépistage du cancer du poumon par TDM.

Ces capteurs sont constitués de nanoparticules polymères revêtues d'un marqueur, tel qu'un code-barres d'ADN, qui est clivé de la particule lorsque le capteur rencontre des enzymes appelées protéases, souvent suractives dans les tumeurs. Ces marqueurs s'accumulent finalement dans l'urine et sont excrétés par le corps.

Dans les versions précédentes de ces capteurs, qui ciblaient d'autres sites cancéreux tels que le foie et les ovaires, ils étaient administrés par voie intraveineuse. Pour le diagnostic du cancer du poumon, les chercheurs voulaient créer une version pouvant être inhalée, ce qui faciliterait son utilisation dans des contextes moins équipés.

« Lorsque nous avons développé cette technologie, notre objectif était de fournir une méthode capable de détecter le cancer avec une spécificité et une sensibilité élevées, tout en abaissant le seuil d'accessibilité, de manière à améliorer, espérons-le, le déséquilibre et l'inégalité des ressources dans la détection précoce du cancer du poumon », explique Zhong.

Pour y parvenir, les chercheurs ont créé deux formulations de leurs particules : une solution pouvant être aérosolisée et administrée à l'aide d'un nébuliseur, et une poudre sèche pouvant être administrée à l'aide d'un inhalateur.

Une fois les particules atteignant les poumons, elles sont absorbées par le tissu où elles rencontrent d'éventuelles protéases. Les cellules humaines peuvent exprimer des centaines de protéases différentes, dont certaines sont suractives dans les tumeurs, où elles aident les cellules cancéreuses à s'échapper de leur localisation d'origine en coupant des protéines de la matrice extracellulaire.

Ces protéases cancéreuses clivent les marqueurs ADN des capteurs, permettant à ces marqueurs de circuler dans le sang jusqu'à leur excrétion dans l'urine.

Dans les versions précédentes de cette technologie, les chercheurs utilisaient la spectrométrie de masse pour analyser l'échantillon d'urine et détecter les codes-barres ADN. Toutefois, la spectrométrie de masse nécessite un équipement qui pourrait ne pas être disponible dans les régions à faibles ressources, c'est pourquoi, pour cette version, les chercheurs ont créé un test d'écoulement latéral, qui permet de détecter les codes-barres à l'aide d'une bandelette de test en papier.

Les chercheurs ont conçu la bandelette pour détecter jusqu'à quatre codes-barres ADN différents, chacun indiquant la présence d'une protéase différente. Aucun prétraitement ou traitement de l'échantillon d'urine n'est nécessaire et les résultats peuvent être lus environ 20 minutes après l'obtention de l'échantillon.

'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.