تشخیص سرطان ریه از طریق نانوحسگرهای استنشاقی، آزمایش ادرار مبتنی بر کاغذ

با استفاده از فناوری جدیدی که در MIT توسعه یافته است، تشخیص سرطان ریه می تواند به آسانی استنشاق حسگرهای نانوذرات و سپس انجام آزمایش ادرار که نشان می دهد آیا تومور وجود دارد یا خیر. پلت فرم جدید تشخیص سرطان ریه، نانوحسگرهای بارکد شده با DNA – حسگرهای زیستی مبتنی بر فعالیت (ABNs) – را که می‌توان از طریق یک نبولایزر یا استنشاقی استنشاق کرد، با یک آزمایش ادرار مبتنی بر نوار کاغذی ساده برای شناسایی مولکول‌های گزارشگر DNA مصنوعی که حضور را نشان می‌دهند ترکیب می‌کند. پروتئین های خاص مرتبط با سرطان ریه

این تیم پیشنهاد می کند که این فناوری که به نام PATROL (نانوحسگرهای آئروسل پذیر در نقطه مراقبت با بارکدهای الیگونوکلئوتیدی پاسخگو به تومور) شناخته می شود، به طور بالقوه می تواند جایگزین یا مکمل استاندارد طلایی فعلی برای تشخیص سرطان ریه، توموگرافی کامپیوتری با دوز پایین (CT) شود. به ویژه در کشورهای با درآمد کم و متوسط ​​که دسترسی گسترده ای به اسکنرهای سی تی ندارند، تأثیر قابل توجهی دارند.

ما واقعاً این روش را تحت فشار قرار دادیم تا در یک محیط با منابع کم در دسترس باشد، بنابراین ایده این بود که هیچ گونه پردازش نمونه انجام ندهیم، هیچ تقویتی انجام ندهیم، فقط بتوانیم نمونه را درست روی کاغذ قرار دهیم. و آن را در 20 دقیقه بخوانید. مهندسی و علوم.

گزارش از تحولات خود در پیشرفت علمنویسنده ارشد Bhatia و همکارانش پیشنهاد کردند که این فناوری می تواند برای تشخیص سایر اختلالات و عفونت های ریوی نیز مورد استفاده قرار گیرد. از طریق ادغام اجزای مختلف تکنولوژیکی، ما یک رویکرد غیرتهاجمی «استنشاق و تشخیص» برای تشخیص دقیق سرطان ریه در مراحل اولیه ایجاد کرده‌ایم که نیازی به پرسنل پزشکی آموزش دیده، درمان طولانی مدت، یا آزمایشگاه‌های تشخیصی متمرکز ندارد. PATROL امکان گسترش پتانسیل خود را برای دستیابی به تشخیص سریع اختلالات و عفونت های مزمن ریوی فراهم می کند. عنوان مقاله این تیم “سکوی تشخیصی ادرار قابل استنشاق در نقطه مراقبت” است. کیان ژونگ، دکترا، دانشمند تحقیقاتی MIT، و ادوارد تان، دکترای فوق دکترای سابق MIT، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند.

نویسندگان خاطرنشان کردند که مرگ و میر ناشی از سرطان ریه در کشورهایی با شاخص توسعه بالا (HDI) در حال کاهش است و این تا حدی به دلیل پیشرفت در ابزارهای تشخیص زودهنگام و درمان سریعتر است. در صورت وجود، توموگرافی کامپیوتری با دوز پایین (LDCT) استاندارد مراقبت برای غربالگری سرطان ریه در مراحل اولیه در بین افراد پرخطر و بدون علامت بوده است و این عمل منجر به کاهش تقریباً 20 تا 25 درصدی مرگ و میر در این افراد شده است. آزمایش‌های بالینی،” آنها نوشتند.

در مقابل، مرگ و میر نامتناسب بالای سرطان ریه در کشورهای با درآمد کم و متوسط ​​(LMIC) مشاهده می شود که ممکن است دسترسی محدودی به تصویربرداری پزشکی وجود داشته باشد. کاهش دسترسی بیماران به تصویربرداری و کمبود پرسنل آموزش‌دیده همچنان چالش‌های بالینی قابل توجه در مناطق خارج از زیرساخت‌های تصویربرداری شهری در کشورهای HDI است، که در LMIC‌ها ذکر نمی‌شود… که نشان‌دهنده نابرابری در تشخیص زودهنگام در محیط‌های با منابع ضعیف است. و این عدم دسترسی به فناوری است که یکی از چالش‌های اصلی در رسیدگی به نابرابری‌های سلامت سرطان را نشان می‌دهد.

بهاتیا همچنین خاطرنشان کرد: «سرطان در سرتاسر جهان در کشورهای با درآمد کم و متوسط ​​شیوع بیشتری پیدا می‌کند… اپیدمیولوژی سرطان ریه در سطح جهانی این است که ناشی از آلودگی و سیگار است، بنابراین می‌دانیم که اینها مکان‌هایی هستند که در آن وجود دارد. دسترسی به این نوع فناوری می تواند تأثیر زیادی داشته باشد.»

Bhatia دهه گذشته را صرف توسعه نانوحسگرها برای استفاده در تشخیص سرطان و سایر بیماری ها کرده است. برای آخرین مطالعه خود، Bhatia و همکارانش امکان استفاده از فناوری نانوحسگر را به عنوان یک جایگزین در دسترس برای غربالگری CT برای سرطان ریه بررسی کردند.

پلت فرم نانوحسگر متشکل از نانوذرات پلیمری است که با یک گزارشگر بارکد DNA پوشیده شده است و زمانی که حسگر با آنزیم پروتئاز خاصی مواجه می شود، از ذره جدا می شود. برخی از پروتئازها معمولاً در تومورها بیش فعال هستند. گزارشگرهای شکاف در نهایت در ادرار جمع می شوند و از بدن دفع می شوند.

نسخه‌های قبلی این حسگرها که سایر نقاط سرطانی مانند کبد و تخمدان‌ها را هدف قرار می‌دادند، برای تزریق داخل وریدی طراحی شده بودند. برای تشخیص سرطان ریه، محققان می‌خواستند نسخه‌ای بسازند که قابل استنشاق باشد که می‌تواند استفاده از آن را در تنظیمات منابع پایین‌تر آسان‌تر کند. برای دستیابی به این هدف، آنها دو فرمول از ذرات خود ایجاد کردند: محلولی که می تواند در هوا ذرات معلق شود و با یک نبولایزر تحویل داده شود، و یک پودر خشک که می تواند با استفاده از دستگاه تنفسی تحویل داده شود. آنها توضیح دادند: “ما ابتدا ABN ها را به صورت ذرات معلق در مقیاس میکرو فرموله کردیم که می توانند با نبولایزرها یا استنشاق کننده های بالینی تحویل داده شوند و به رسوب عمیق ریه کمک کنند.” این نانوحسگرهای پروتئاز را می توان برای انتقال کارآمد به ریه از طریق آئروسل از طریق نبولیزاسیون مستقیم از محلول های آبی یا ادغام در میکروذرات خشک قابل تنفس فرموله کرد.

زمانی که ما این فناوری را توسعه دادیم، هدف ما ارائه روشی بود که بتواند سرطان را با ویژگی و حساسیت بالا تشخیص دهد، و همچنین آستانه دسترسی را کاهش دهد، به طوری که امیدواریم بتوانیم نابرابری منابع و نابرابری را در تشخیص زودهنگام سرطان ریه بهبود بخشیم. ژونگ توضیح داد.

هنگامی که ذرات استنشاق شده به ریه ها می رسند، جذب بافت می شوند و در آنجا با هر گونه پروتئازی که ممکن است وجود داشته باشد، مواجه می شوند. سلول های انسانی می توانند صدها پروتئاز مختلف را بیان کنند و برخی معمولاً در تومورها بیش فعال هستند، جایی که به سلول های سرطانی کمک می کنند تا با برش پروتئین های ماتریکس خارج سلولی (ECM) از محل اصلی خود فرار کنند. این پروتئازهای مرتبط با سرطان، بارکدهای DNA ویژه پروتئاز را از ذرات نانوحسگر جدا می‌کنند و سپس بارکدها در جریان خون گردش می‌کنند تا در ادرار دفع شوند.

در نسخه های قبلی این فناوری، محققان از طیف سنجی جرمی برای تجزیه و تحلیل نمونه ادرار و شناسایی بارکدهای DNA استفاده کردند. با این حال، طیف‌سنجی جرمی به تجهیزاتی نیاز دارد که ممکن است در مناطق کم منبع در دسترس نباشد، بنابراین برای فناوری PATROL، محققان یک سنجش جریان جانبی (LFA) ایجاد کردند که به بارکدها اجازه می‌دهد با استفاده از یک نوار تست کاغذی ساده روی یک خواننده قابل حمل شناسایی شوند. هیچ پیش درمانی یا پردازش نمونه ادرار مورد نیاز نیست و نتایج را می توان حدود 20 دقیقه پس از به دست آوردن نمونه خواند.

برای مطالعه گزارش شده خود، محققان این سیستم را روی موش هایی آزمایش کردند که از نظر ژنتیکی برای ایجاد تومورهای ریه مشابه آنچه در انسان مشاهده می شود، مهندسی شده بودند. این نانوحسگرها هفت و نیم هفته پس از شروع شکل‌گیری تومورها از طریق استنشاق به حیوانات داده شد، نقطه زمانی که احتمالاً با مرحله 1 یا مرحله 2 سرطان در انسان مرتبط است.

در اولین مجموعه آزمایشات خود بر روی موش، محققان سطوح پانل 20 حسگر مختلف را که برای شناسایی پروتئازهای مختلف انتخاب شده از کتابخانه ای از کاوشگرهای بالقوه طراحی شده بودند، اندازه گیری کردند. آنها توضیح دادند: “ما به دنبال شناسایی حداقل مجموعه ای از کاوشگرهای دقیق بودیم که می تواند قدرت پیش بینی بالایی را از طریق عملیات غربالگری ساده مناسب برای تنظیمات غیرمتمرکز ارائه دهد و در نتیجه به اطلاع رسانی زودهنگام و شروع رهگیری به موقع کمک کند.”

سپس پانل گسترده نهایی شامل 20 کاندید از طریق غربالگری in vivo در مدل‌های موش در تلاشی برای معرفی یک مجموعه کوچک سفارشی با سازگاری کم پیچش مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمایش‌ها با 20 نانوحسگر اولیه با استفاده از یک الگوریتم یادگیری ماشینی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و به محققان این امکان را داد که ترکیبی از تنها چهار حسگر را شناسایی کنند که پیش‌بینی شده بود نتایج تشخیصی دقیقی ارائه دهد. آنها بیان کردند: «ما یک کتابخانه بزرگ از ABN های طراحی شده مرحله ای را به یک گروه 4-plex کوچک کردیم و آنها را با بارکدهای DNA مصنوعی دوباره مهندسی کردیم تا امکان چندگانه سازی آسان با LFA در دمای اتاق فراهم شود.

آزمایش‌های روی مدل سرطان ریه موش تأیید کرد که این ترکیب از نانوحسگرهای بارکد می‌تواند تومورهای ریه را در مراحل اولیه تشخیص دهد. دانشمندان گزارش کردند: “با اختصاص 100٪، ABN های 4-plex سحابی شده حساسیت 84.6٪ را نشان دادند…”

خلاصه فن آوری خود را در پیشرفت علم در این مقاله، تیم نتیجه‌گیری کرد: «این کار PATROL را به عنوان یک پلت‌فرم تشخیص POC ایجاد کرد که نشانگرهای زیستی مصنوعی قابل استنشاق مدولار و LFA‌های چندگانه قابل استنشاق را برای شناسایی، به روشی غیرتهاجمی با نیازهای زیرساختی پایین، فعالیت پروتئولیتیک نامنظم که با سرطان ریه در مراحل اولیه مرتبط است، ادغام می‌کند. ”

محققان در مرحله بعدی قصد دارند نمونه‌های بیوپسی انسانی را تجزیه و تحلیل کنند تا ببینند آیا پنل‌های حسگر مورد استفاده برای تشخیص سرطان‌های انسانی نیز کار می‌کنند یا خیر. آنها اذعان دارند که ممکن است حسگرهای بیشتری برای تشخیص دقیق سرطان ریه در انسان مورد نیاز باشد، اما این امر می تواند با استفاده از نوارهای کاغذی متعدد، که هر کدام چهار بارکد DNA مختلف را شناسایی می کنند، به دست آورد.

در بلندمدت، محققان امیدوارند آزمایش‌های بالینی را روی بیماران انسانی انجام دهند. شرکتی به نام Sunbird Bio قبلاً آزمایش‌های فاز I را روی حسگر مشابهی که توسط آزمایشگاه Bhatia برای استفاده در تشخیص سرطان کبد و استئاتوهپاتیت غیر الکلی (NASH) ساخته شده است، اجرا کرده است.

در بخش‌هایی از جهان که دسترسی محدودی به سی‌تی‌اسکن وجود دارد، فناوری PATROL می‌تواند بهبود چشمگیری در غربالگری سرطان ریه ارائه دهد، به‌ویژه از آنجایی که نتایج را می‌توان در طی یک بازدید به دست آورد.

ایده این است که شما وارد شوید و سپس پاسخی در مورد اینکه آیا به آزمایش بعدی نیاز دارید یا خیر دریافت کنید، و ما می‌توانیم بیمارانی را که ضایعات اولیه دارند وارد سیستم کنیم تا بتوانند جراحی درمانی یا داروهای نجات دهند. بهاتیا می گوید. نویسندگان در مقاله خود به این نتیجه رسیدند، “… کیت های تشخیصی بسیار مدولار مانند PATROL که می تواند نتایج آزمایش را در یک جلسه ارائه دهد، در تشخیص بدخیمی های ریوی دگرگون کننده است…”

این تیم پیشنهاد می کند که این فناوری همچنین می تواند به طور بالقوه برای طبقه بندی بیماران و کمک به پزشکان در انتخاب بهترین روش درمانی مورد استفاده قرار گیرد. «PATROL همچنین ممکن است تلاش‌هایی را برای بهبود طبقه‌بندی خطر ضایعات اولیه برای تعیین انتخاب بالینی روش‌های پیگیری فعال کند… ما تصور می‌کنیم که با رها کردن غربالگری بیماری از محیط پر منابع فعلی‌اش، ممکن است آزمایش‌های نظارتی امکان‌پذیر را فعال کنیم که یک بیماری را شناسایی کند. زمانی که هنوز درمان آن آسان است.»