La diagnostica, che richiede solo un semplice esame delle urine per leggere i risultati, potrebbe rendere lo screening del cancro al polmone più accessibile in tutto il mondo.

 

 

Utilizzando una nuova tecnologia sviluppata al MIT, diagnosticare il cancro ai polmoni potrebbe diventare più semplice, inalando sensori di nanoparticelle e quindi eseguire un test delle urine che rivela se è presente un tumore.

La nuova diagnostica si basa su nanosensori che possono essere erogati da un inalatore o da un nebulizzatore.

Se i sensori incontrano proteine legate al cancro nei polmoni, producono un segnale che si accumula nelle urine, dove può essere rilevato con una semplice striscia reattiva di carta.

Questo approccio potrebbe potenzialmente sostituire o integrare l’attuale gold standard per la diagnosi del cancro del polmone, la tomografia computerizzata (TC) a basso dosaggio.

Potrebbe avere un impatto particolarmente significativo nei paesi a basso e medio reddito che non hanno un’ampia disponibilità di scanner, dicono i ricercatori.

“In tutto il mondo, il cancro sta diventando sempre più diffuso nei paesi a basso e medio reddito. L’epidemiologia del cancro al polmone a livello globale è che è guidata dall’inquinamento e dal fumo, quindi sappiamo che questi sono ambienti in cui l’accessibilità a questo tipo di tecnologia potrebbe avere un grande impatto”, afferma Sangeeta Bhatia, John and Dorothy Wilson Professor of Health Sciences and Technology e of Electrical Engineering and Computer Science presso il MIT. e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e dell’Institute for Medical Engineering and Science.

Bhatia è l’autore senior dell’articolo, che appare su Science Advances. Qian Zhong, ricercatore del MIT, e Edward Tan, ex postdoc del MIT, sono gli autori principali dello studio.

Particelle inalabili

Per aiutare a diagnosticare il cancro ai polmoni il prima possibile, la U.S. Preventive Services Task Force raccomanda che i forti fumatori di età superiore ai 50 anni si sottopongano a scansioni TC annuali.

Tuttavia, non tutti in questo gruppo target ricevono queste scansioni e l’alto tasso di falsi positivi delle scansioni può portare a test inutili e invasivi.

Bhatia ha trascorso l’ultimo decennio a sviluppare nanosensori da utilizzare nella diagnosi del cancro e di altre malattie e, in questo studio, lei e i suoi colleghi hanno esplorato la possibilità di utilizzarli come alternativa più accessibile allo screening TC per il cancro ai polmoni.

Questi sensori sono costituiti da nanoparticelle polimeriche rivestite con un reporter, come un codice a barre del DNA, che viene scisso dalla particella quando il sensore incontra enzimi chiamati proteasi, che sono spesso iperattivi nei tumori. Questi alla fine si accumulano nelle urine e vengono espulsi dal corpo.

Le versioni precedenti dei sensori, che miravano ad altri siti tumorali come il fegato e le ovaie, erano progettate per essere somministrate per via endovenosa.

Per la diagnosi del cancro ai polmoni, i ricercatori hanno voluto creare una versione che potesse essere inalato, il che potrebbe rendere più facile l’implementazione in contesti di risorse inferiori.

“Quando abbiamo sviluppato questa tecnologia, il nostro obiettivo era quello di fornire un metodo in grado di rilevare il cancro con un’elevata specificità e sensibilità, e anche di abbassare la soglia per l’accessibilità, in modo da poter migliorare la disparità di risorse e l’iniquità nella diagnosi precoce del cancro al polmone”, afferma Zhong.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno creato due formulazioni delle loro particelle: una soluzione che può essere aerosolizzata e somministrata con un nebulizzatore e una polvere secca che può essere somministrata utilizzando un inalatore.

Una volta che le particelle raggiungono i polmoni, vengono assorbite nel tessuto, dove incontrano  proteasi eventualmente presenti.

Le cellule umane possono esprimere centinaia di proteasi diverse e alcune di esse sono iperattive nei tumori, dove aiutano le cellule tumorali a sfuggire alle loro posizioni originali tagliando le proteine della matrice extracellulare.

Queste proteasi cancerose scindono i codici a barre del DNA dai sensori, consentendo ai codici a barre di circolare nel flusso sanguigno fino a quando non vengono escreti nelle urine.

Nelle versioni precedenti di questa tecnologia, i ricercatori utilizzavano la spettrometria di massa per analizzare il campione di urina e rilevare i codici a barre del DNA. Tuttavia, la spettrometria di massa richiede apparecchiature che potrebbero non essere disponibili in aree con risorse limitate, quindi per questa versione, i ricercatori hanno creato un test a flusso laterale, che consente di rilevare i codici a barre utilizzando una striscia reattiva di carta.

I ricercatori hanno progettato la striscia per rilevare fino a quattro diversi codici a barre del DNA, ognuno dei quali indica la presenza di una proteasi diversa.

Non è richiesto alcun pretrattamento o elaborazione del campione di urina e i risultati possono essere letti circa 20 minuti dopo l’ottenimento del campione.

“Stavamo davvero spingendo questo test per essere disponibile point-of-care in un ambiente con poche risorse, quindi l’idea era di non eseguire alcuna elaborazione del campione, né eseguire alcuna amplificazione, solo per essere in grado di mettere il campione direttamente sulla carta e leggerlo in 20 minuti”, afferma Bhatia.

Diagnosi accurata

I ricercatori hanno testato il loro sistema diagnostico in topi geneticamente modificati per sviluppare tumori polmonari simili a quelli osservati negli esseri umani.

I sensori sono stati somministrati 7,5 settimane dopo che i tumori hanno iniziato a formarsi, un periodo di tempo che probabilmente sarebbe correlato con il cancro in stadio 1 o 2 negli esseri umani.

Nella loro prima serie di esperimenti sui topi, i ricercatori hanno misurato i livelli di 20 diversi sensori progettati per rilevare diverse proteasi.

Utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico per analizzare questi risultati, i ricercatori hanno identificato una combinazione di soli quattro sensori che si prevedeva fornisse risultati diagnostici accurati.

Hanno quindi testato quella combinazione nel modello murino e hanno scoperto che poteva rilevare con precisione i tumori polmonari in fase iniziale.

Per l’uso negli esseri umani, è possibile che siano necessari più sensori per fare una diagnosi accurata, ma ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando più strisce di carta, ognuna delle quali rileva quattro diversi codici a barre del DNA, dicono i ricercatori.

I ricercatori hanno ora in programma di analizzare campioni di biopsia umana per vedere se i pannelli di sensori che stanno utilizzando funzionerebbero anche per rilevare i tumori umani.

A lungo termine, sperano di eseguire studi clinici su pazienti umani. Un’azienda chiamata Sunbird Bio ha già eseguito studi di fase 1 su un sensore simile sviluppato dal laboratorio di Bhatia, per l’uso nella diagnosi del cancro al fegato e di una forma di epatite nota come steatoepatite non alcolica (NASH).

In parti del mondo in cui l’accesso alla TAC è limitato, questa tecnologia potrebbe offrire un notevole miglioramento nello screening del cancro del polmone, soprattutto perché i risultati possono essere ottenuti durante una singola visita.

“L’idea sarebbe quella di entrare e poi ottenere una risposta sul fatto che si abbia bisogno di un test di follow-up o meno, e potremmo portare i pazienti che hanno lesioni precoci nel sistema in modo che possano ottenere un intervento chirurgico curativo o farmaci salvavita”, dice Bhatia.