Sensori di nanoparticelle che rilevano il cancro ai polmoni

Sebbene lo screening con tomografia computerizzata a basso dosaggio migliori la sopravvivenza del cancro del polmone nei gruppi a rischio, la disuguaglianza rimane nella diagnosi del cancro del polmone a causa dell’accesso limitato e degli alti costi delle infrastrutture di imaging medico. Utilizzando una nuova tecnologia sviluppata al MIT, diagnosticare il cancro ai polmoni potrebbe diventare facile come inalare sensori di nanoparticelle e quindi eseguire un test delle urine per rivelare 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 CT, dicono i ricercatori.

«In tutto il mondo, il cancro diventerà sempre più diffuso nei paesi a basso e medio reddito. L’epidemiologia del cancro ai polmoni a livello globale è causata 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 la dottoressa Sangeeta Bhatia (1), professoressa di scienze della salute e professoressa di John e Dorothy Wilson. Studiosa di tecnologia e di ingegneria elettrica e informatica al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e dell'Institute for Medical Engineering and Science.

La dottoressa Sangeeta Bhatia è l'autrice senior dell'articolo, apparso su Science Advances (2). Il dottor Qian Zhong, ricercatore del MIT, e il dottor Edward Tan, ex postdoc del MIT, sono gli autori principali dello studio.

Particelle inalabili

Per aiutare a diagnosticare il cancro ai polmoni il più presto possibile, la Task Force dei servizi preventivi degli Stati Uniti raccomanda che i fumatori accaniti di età superiore ai 50 anni si sottopongano a scansioni TC annuali. Tuttavia, non tutti in questo gruppo target ricevono queste scansioni e l’elevata percentuale di falsi positivi delle scansioni può portare a test non necessari e invasivi.

La professoressa Bhatia ha trascorso gli ultimi dieci anni sviluppando 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 staccato dalla particella quando il sensore incontra enzimi chiamati proteasi. Questi enzimi sono spesso iperattivi nei tumori. Quei reporter alla fine si accumulano nelle urine e vengono escreti 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 al polmone, i ricercatori volevano creare una versione inalabile, che poteva facilitarne l’implementazione in contesti con risorse inferiori.

«Quando abbiamo sviluppato questa tecnologia, il nostro obiettivo era quello di fornire un metodo in grado di rilevare il cancro con elevata specificità e sensibilità, e anche di abbassare la soglia di accessibilità, in modo che si sperava di poter migliorare la disparità e l'iniquità delle risorse nella diagnosi precoce del cancro ai polmoni», dice 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 nei tessuti, dove incontrano le 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 poche risorse, 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, ciascuno 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 aver ottenuto il campione.

«Stavamo davvero spingendo questo test affinché fosse disponibile presso il punto di cura in un ambiente con risorse limitate, quindi l'idea era di non eseguire alcuna elaborazione del campione, né di eseguire alcuna amplificazione, solo per poter mettere il campione direttamente sulla carta e leggerlo in 20 minuti», dice Bhatia.

Diagnosi accurata

I ricercatori hanno testato il loro sistema diagnostico su 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 avevano iniziato a formarsi, un momento temporale che sarebbe probabilmente correlato allo stadio 1 o 2 del cancro 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 tali risultati, i ricercatori hanno identificato una combinazione di soli quattro sensori che avrebbero dovuto fornire risultati diagnostici accurati. Hanno poi testato quella combinazione nel modello murino e hanno scoperto che poteva rilevare con precisione tumori polmonari allo stadio iniziale.

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

I ricercatori ora intendono 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. Una società chiamata Sunbird Bio ha già eseguito studi di fase 1 su un sensore simile sviluppato dal laboratorio di Bhatia, da utilizzare nella diagnosi del cancro al fegato e di una forma di epatite nota come steatoepatite non alcolica (nonalcoholic steatohepatitis - NASH).

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

«L'idea sarebbe quella di entrare e ricevere una risposta sulla necessità o meno di un test di follow-up, e potremmo inserire nel sistema i pazienti che presentano lesioni precoci in modo che possano ricevere un intervento chirurgico curativo o farmaci salvavita», conclude Bhatia.

La ricerca è stata finanziata dalla Johnson & Johnson Lung Cancer Initiative, dall’Howard Hughes Medical Institute, dal Koch Institute Support (core) Grant del National Cancer Institute e dal National Institute of Environmental Health Sciences.

Ulteriori lavori correlati sono stati supportati dal Marble Center for Cancer Nanomedicine e dal Koch Institute Frontier Research Program tramite Upstage Lung Cancer.

Riferimenti:

(1) Sangeeta Bhatia

(2) Inhalable point-of-care urinary diagnostic platform

Descrizione foto: Gli ingegneri del MIT hanno progettato particelle diagnostiche che possono essere aerosolizzate e inalate. In basso c’è una micrografia elettronica a scansione delle particelle, che sono rivestite con nanosensori che interagiscono con le proteine associate al cancro nei polmoni. - Credit: per gentile concessione dei ricercatori.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Inhalable sensors could enable early lung cancer detection