Вдыхаемые наносенсоры помогут определить рак легких на ранней стадии

Американские биоинженеры разработали систему скрининговой диагностики рака легких на основе вдыхаемого аэрозоля с наносенсорами. При наличии заболевания от них отщепляются олигонуклеотидные метки, которые затем определяются в моче с помощью бумажных тест-полосок. Неинвазивная методика предназначена для использования непосредственно в местах оказания помощи. Отчет о работе опубликован в журнале Science Advances.

В настоящее время стандартом скринингового выявления ранних стадий рака легкого служит низкодозная компьютерная томография (КТ), однако она требует дорогостоящего оборудования и квалифицированного персонала, из-за чего доступ к ней ограничен. Помимо этого развивается жидкая биопсия — определение маркеров опухолей, таких как белки, циркулирующая ДНК и опухолевые клетки, в биологических жидкостях. Этот подход также требует ресурсоемких технологий — хроматографии и масс-спектрометрии, секвенирования нового поколения и проточной цитометрии — и эффективен не на всех стадиях развития рака.

В поисках решения сотрудники Массачусетского технологического института под руководством Сангиты Бхатии (Sangeeta Bhatia) воспользовались разработанной ими и другими научными группами технологией диагностики, основанной на каталитической активности (activity-based diagnostics, ABD). Она состоит во введении в организм синтетических меток, связанных с носителем, которые отщепляются от него под действием специфических протеаз — ферментов, активных в микроокружении опухоли — и затем могут быть распознаны в биологических жидкостях с помощью простого в использовании и относительно недорогого иммунохроматографического анализа (ИХА, LFA).

Исследователи воспользовались программным пакетом DESeq2 для выявления дифференциально экспрессируемых генов в опухолях пациентов с первой стадией аденокарциномы легкого из базы данных The Cancer Genome Atlas (TCGA). Определив таким образом активные в опухоли протеазы, они создали библиотеку возможных субстратов для них, протестировали их in vitro, на мышиной модели аденокарциномы легкого и выбрали для дальнейшей работы четыре из них (PLQ38, PLQ46, PLQ83 и PLQ81).

За основу наносенсора взяли шарообразный полиэтиленгликолевый (PEG) каркас с восемью малеимидными группами, к которым посредством выбранных субстратов ковалентно прикрепили синтетические 20-нуклеотидные метки из одноцепочечной ДНК, биотинированной на конце. Методом клик-химии получившиеся комплексы с разными субстратами скрепили друг с другом так, чтобы получились 15-нанометровые частицы из четырех комплексов, содержащие все типы субстратов. Дополнительные эксперименты показали, что оптимальным средством доставки таких наносенсоров в легкие служит электронно-сетчатый небулайзер, который превращает их 0,125-миллимолярный по PEG-эквиваленту раствор в аэрозоль с медианным диаметром частиц 3,72–4,35 микрометра, проникающий в периферические ткани легких. При наличии опухоли ее протеазы расщепляют пептид-субстрат, высвобождая нуклеотидную метку, которая попадает в кровь и выводится с мочой.

Авторы работы выбрали в качестве меток ДНК, а не пептиды, поскольку количественное определение последних требует лаборатории, оснащенной жидкостным хроматографом/масс-спектрометром. Для регистрации нуклеотидных меток в моче исследователи разработали ИХА-полоски на нитроцеллюлозной основе. В них метки, проходя с током жидкости-носителя, сначала связываются с аффинным к биотину белком нейтравидином, конъюгированным с европием — этот металл служит источником флуоресценции. Затем этот комплекс поступает на тестовую линию, где нуклеотид гибридизируется с захватывающей его последовательностью. Далее расположена линия положительного контроля с биотинилированным альбумином бычьей сыворотки, которая связывает европий-нейтравидиновый комплекс вне зависимости от наличия на нем метки (если эта линия не окрашивается, тест признается некачественным). Авторы работы подобрали состав жидкости носителя, кислотность и другие условия так, что процесс происходит при комнатной температуре и занимает 20 минут. Анализ таких тест-полосок можно проводить на месте с помощью коммерческих флуоресцентных сканеров.

Скрининговая система получила название PATROL (point-of-care aerosolizable nanosensors with tumor-responsive oligonucleotide barcodes, аэрозольные наносенсоры с реагирующими на опухоль олигонуклеотидными метками для применения в месте оказания помощи). В доклинических испытаниях на мышиной модели аденокарциномы легких она продемонстрировала чувствительность 75,2 процента (сопоставимо с микро-КТ) со 100-процентной специфичностью при диагностике опухолей I/II стадии. Гистологических и иммунологических признаков токсичности и воспалительного ответа зарегистрировано не было.

Авторы работы отмечают, что их неинвазивный скрининговый подход «вдохни и определи» не требует квалифицированного персонала, централизованных лабораторий и длительного ожидания ответа. При этом интегрированную систему PATROL несложно модифицировать для быстрой диагностики хронических заболеваний и инфекций легких.

Скрининг для своевременной диагностики рака представляет собой крайне важную, но очень сложную задачу общественного здравоохранения. В поисках ее решения разные научные группы разрабатывают и тестируют разнообразные подходы, иногда весьма экзотичные. Так, например, сотрудники Университета штата Мичиган предложили вынюхивать опухоли с помощью датчиков на основе усиков и мозга саранчи — почитать об этом можно в материале «Запах опухоли».