Celvrije biosensoren combineren precisie en eenvoud voor de detectie van kanker

Georgia Tech-onderzoekers hebben biosensoren ontwikkeld met geavanceerde speurvaardigheden en de technologie kan een revolutie teweegbrengen in de detectie en monitoring van kanker.

De kleine detectives kunnen belangrijke biologische markers identificeren met behulp van logische redeneringen, geïnspireerd door de EN-functie in computers, bijvoorbeeld wanneer je je gebruikersnaam en wachtwoord nodig hebt om in te loggen. En in tegenstelling tot traditionele biosensoren die bestaan ​​uit genetisch materiaal (cellen, stukjes DNA) zijn gemaakt van vervaardigde moleculen.

Deze nieuwe biosensoren zijn nauwkeuriger en eenvoudiger te vervaardigen, waardoor het aantal valse positieven wordt verminderd en ze praktischer worden voor klinisch gebruik. En omdat de sensoren celvrij zijn, is er een verminderd risico op immunogene bijwerkingen.

“Wij denken dat de nauwkeurigheid en eenvoud van onze biosensoren zullen leiden tot toegankelijke, gepersonaliseerde en effectieve behandelingen, die uiteindelijk levens zullen redden”, zegt Gabe Kwong, universitair hoofddocent en Robert A. Milton Endowed Chair bij de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, die de studie leidde, gepubliceerd deze maand binnen Natuur Nanotechnologie.

Breken met traditie

De onderzoekers wilden de beperkingen van de huidige biosensoren voor kanker aanpakken, zoals die ontworpen voor CAR-T-cellen om hen in staat te stellen tumorcellen te herkennen. Deze geavanceerde biosensoren zijn gemaakt van genetisch materiaal en er is een groeiende belangstelling om de kans op off-target toxiciteit te verminderen door gebruik te maken van Booleaanse “AND-gate” computerlogica. Dat betekent dat ze zijn ontworpen om alleen een signaal af te geven als aan twee specifieke voorwaarden wordt voldaan.

“Traditioneel omvatten deze biosensoren genetische manipulatie met behulp van celgebaseerde systemen, wat een complex, tijdrovend en duur proces is”, zegt Kwong.

Daarom ontwikkelde zijn team biosensoren gemaakt van ijzeroxide-nanodeeltjes en speciale moleculen die cyclische peptiden worden genoemd. Het synthetiseren van nanomaterialen en peptiden is volgens Kwong een eenvoudiger en goedkoper proces dan genetische manipulatie, “wat betekent dat we waarschijnlijk grootschalige, economische productie van uiterst nauwkeurige biosensoren kunnen realiseren.”

Het ontgrendelen van de EN-poort

Biosensoren detecteren kankersignalen en volgen de voortgang van de behandeling door biologische signalen om te zetten in leesbare output voor artsen. Bij EN-poortlogica zijn voor een uitgang twee verschillende ingangen nodig.

Dienovereenkomstig hebben de onderzoekers cyclische peptiden (kleine aminozuurketens) zo ontworpen dat ze alleen reageren als ze twee specifieke soorten enzymen tegenkomen: proteasen genaamd granzyme B (afgescheiden door het immuunsysteem) en matrixmetalloproteïnase (uit kankercellen). De peptiden genereren een signaal wanneer beide proteasen aanwezig en actief zijn.

Denk aan een hoogbeveiligd slot dat twee unieke sleutels nodig heeft om te openen. In dit scenario vormen de peptiden het slot, waardoor het sensorsignaal alleen wordt geactiveerd wanneer kanker aanwezig is en wordt geconfronteerd met het immuunsysteem.

“Onze peptiden zorgen voor een grotere nauwkeurigheid bij het detecteren van kankeractiviteit”, zegt de hoofdauteur van de studie, Anirudh Sivakumar, een postdoctoraal onderzoeker in Kwong’s Laboratory for Synthetic Immunity. “Het is heel specifiek, wat belangrijk is om te weten wanneer immuuncellen tumorcellen targeten en doden.”

Super specifiek

In dierstudies hebben de biosensoren met succes onderscheid gemaakt tussen tumoren die reageerden op een veel voorkomende kankerbehandeling, genaamd immuuncontrolepuntblokkadetherapie (ICBT, die het immuunsysteem versterkt), en tumoren die zich tegen behandeling verzetten.

Tijdens deze tests demonstreerden de sensoren ook hun vermogen om valse signalen van andere, niet-gerelateerde gezondheidsproblemen te vermijden, zoals wanneer het immuunsysteem werd geconfronteerd met een griepinfectie in de longen, weg van de tumor.

“Dit niveau van specificiteit kan het spel veranderen,” zei Kwong. “Stel je voor dat je in een vroeg stadium van de behandeling kunt identificeren welke patiënten op de therapie reageren. Dat zou tijd besparen en de patiëntresultaten verbeteren.”

De eerste stap naar deze eenvoudigere, preciezere vorm van kankerdiagnostiek begon vijf jaar geleden als een samenwerking tussen het laboratorium van Kwong en het laboratorium van MG Finn, professor en voorzitter van de School of Chemistry and Biochemistry.

Het evolueerde naar een multi-institutioneel project waarbij onderzoekers van de University of California-Riverside betrokken waren, evenals onderzoekers van de Georgia Tech-faculteit Finn en Peng Qiu, universitair hoofddocent bij de afdeling Coulter.

“De voortgang van het onderzoek… helemaal tot aan dierstudies verliep erg soepel”, zei Kwong. “Uiteindelijk heeft een gezamenlijke, multidisciplinaire inspanning onze vroege visie omgezet in iets dat een grote impact zou kunnen hebben in de gezondheidszorg.”