Ingenieros del MIT han diseñado un nuevo sensor de nanopartículas que podría permitir el diagnóstico precoz del cáncer con un simple análisis de orina. Los sensores, que pueden detectar muchas proteínas cancerosas diferentes, también podrían usarse para distinguir el tipo de tumor o cómo responde al tratamiento.

Las nanopartículas están diseñadas para que cuando se encuentren con un tumor, desprendan secuencias cortas de ADN que se excretan en la orina. El análisis de estos “códigos de barras” de ADN puede revelar características distintivas del tumor de un paciente en particular. Los investigadores diseñaron su prueba para que se pueda realizar con una tira de papel, similar a una prueba de covid en el hogar, que esperan que sea asequible y accesible para la mayor cantidad de pacientes posible.

Estamos tratando de innovar en un contexto de hacer que la tecnología esté disponible para entornos de bajos y medianos recursos. Poner este diagnóstico en papel es parte de nuestro objetivo de democratizar los diagnósticos y crear tecnologías económicas que puedan brindarle una respuesta rápida en el punto de atención”.

Sangeeta Bhatia, profesora John and Dorothy Wilson de Ciencias y Tecnología de la Salud y de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT

En pruebas en ratones, los investigadores demostraron que podían usar los sensores para detectar la actividad de cinco enzimas diferentes que se expresan en los tumores. También demostraron que su enfoque podría ampliarse para distinguir al menos 46 códigos de barras de ADN diferentes en una sola muestra, utilizando un dispositivo de microfluidos para analizar las muestras.

Bhatia es la autora principal del artículo, que aparece hoy en Naturaleza Nanotecnología. Liangliang Hao, un ex científico investigador del MIT que ahora es profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston, es el autor principal del estudio.

códigos de barras de ADN

Durante varios años, el laboratorio de Bhatia ha estado desarrollando "biomarcadores sintéticos" que podrían usarse para diagnosticar el cáncer. Este trabajo se basa en el concepto de detección de biomarcadores de cáncer, como proteínas o células tumorales circulantes, en la muestra de sangre de un paciente. Estos biomarcadores naturales son tan raros que es casi imposible encontrarlos, especialmente en una etapa temprana, pero los biomarcadores sintéticos se pueden usar para amplificar los cambios a menor escala que ocurren dentro de los tumores pequeños.

En un trabajo anterior, Bhatia creó nanopartículas que pueden detectar la actividad de enzimas llamadas proteasas, que ayudan a las células cancerosas a escapar de sus ubicaciones originales o a instalarse en otras nuevas, cortando las proteínas de la matriz extracelular. Las nanopartículas están recubiertas con péptidos que son escindidos por diferentes proteasas y, una vez que estos péptidos se liberan en el torrente sanguíneo, pueden concentrarse y detectarse más fácilmente en una muestra de orina.

Los biomarcadores peptídicos originales se diseñaron para ser detectados en función de pequeñas variaciones de ingeniería en su masa, utilizando un espectrómetro de masas. Es posible que este tipo de equipo no esté disponible en entornos de bajos recursos, por lo que los investigadores se propusieron desarrollar sensores que pudieran analizarse de manera más fácil y económica, utilizando códigos de barras de ADN que se pueden leer con la tecnología CRISPR.

Para que este enfoque funcionara, los investigadores tuvieron que usar una modificación química llamada fosforotioato para proteger los códigos de barras del indicador de ADN circulante para que no se descompongan en la sangre. Esta modificación ya se ha utilizado para mejorar la estabilidad de las vacunas de ARN modernas, lo que les permite sobrevivir más tiempo en el cuerpo.

De manera similar a los reporteros de péptidos, cada código de barras de ADN se une a una nanopartícula mediante un conector que puede ser escindido por una proteasa específica. Si esa proteasa está presente, la molécula de ADN se libera y circula libremente, y eventualmente termina en la orina. Para este estudio, los investigadores utilizaron dos tipos diferentes de nanopartículas: una, una partícula hecha de polímeros que han sido aprobados por la FDA para su uso en humanos, y la otra, un “nanocuerpo”; un fragmento de anticuerpo que puede diseñarse para acumularse en un sitio tumoral.

Una vez que los sensores se secretan en la orina, la muestra se puede analizar usando una tira de papel que reconoce un indicador que se activa con una enzima CRISPR llamada Cas12a. Cuando un código de barras de ADN en particular está presente en la muestra, Cas12a amplifica la señal para que pueda verse como una tira oscura en una prueba de papel.

Las partículas se pueden diseñar para transportar muchos códigos de barras de ADN diferentes, cada uno de los cuales detecta un tipo diferente de actividad de proteasa, lo que permite la detección "multiplexada". El uso de una mayor cantidad de sensores proporciona un impulso tanto en la sensibilidad como en la especificidad, lo que permite que la prueba distinga más fácilmente entre los tipos de tumores.

Firmas de enfermedades

En pruebas en ratones, los investigadores demostraron que un panel de cinco códigos de barras de ADN podía distinguir con precisión los tumores que surgieron por primera vez en los pulmones de los tumores formados por células de cáncer colorrectal que habían hecho metástasis en los pulmones.

“Nuestro objetivo aquí es construir firmas de enfermedades y ver si podemos usar estos paneles con códigos de barras no solo para leer una enfermedad sino también para clasificar una enfermedad o distinguir diferentes tipos de cáncer”, dice Hao.

Para su uso en humanos, los investigadores esperan que necesiten usar más de cinco códigos de barras porque hay mucha variedad entre los tumores de los pacientes. Para ayudar a alcanzar ese objetivo, trabajaron con investigadores del Broad Institute of MIT y Harvard dirigidos por la profesora de la Universidad de Harvard, Pardis Sabeti, para crear un chip de microfluidos que se puede usar para leer hasta 46 códigos de barras de ADN diferentes de una muestra.

Este tipo de prueba podría usarse no solo para detectar el cáncer, sino también para medir qué tan bien responde el tumor de un paciente al tratamiento y si ha reaparecido después del tratamiento. Los investigadores ahora están trabajando en un mayor desarrollo de las partículas con el objetivo de probarlas en humanos. Glympse Bio, una empresa cofundada por Bhatia, realizó ensayos clínicos de fase 1 de una versión anterior de las partículas de diagnóstico urinario y descubrió que son seguras en los pacientes.

Además de Bhatia, Hao y Sabeti, los coautores del estudio incluyen a Renee T. Zhao, Nicole L. Welch, Edward Kah Wei Tan, Qian Zhong, Nour Saida Harzallah, Chayanon Ngambenjawong, Henry Ko y Heather E. Fleming.

La investigación fue financiada por la subvención de apoyo (básico) del Instituto Koch del Instituto Nacional del Cáncer, una subvención del Centro Básico del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, el Centro Marble para la Nanomedicina del Cáncer en el Instituto Koch, el Programa de Investigación Fronteriza del Instituto Koch, el Fondo de Virginia y DK Ludwig para la Investigación del Cáncer, y un Premio Camino a la Independencia del Instituto Nacional del Cáncer.

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• Fuente: https://www.news-medical.net/news/20230425/New-nanoparticle-sensor-could-enable-early-cancer-diagnosis-with-a-simple-urine-test.aspx