DNA-nanotechnologie ontrafelt complexe eiwitinteracties om kankerdiagnostiek te informeren

Een team van onderzoekers van het NUS Institute for Health Innovation & Technology (iHealthtech), onder leiding van universitair hoofddocent Shao Huilin en universitair hoofddocent Brian Lim, heeft een unieke technologie ontwikkeld om diverse eiwitinteracties in cellen in kaart te brengen met behulp van DNA-barcodes .

De technologie, genaamd TETRIS, kan meerdere interacterende partners in grote eiwitassemblages expliciet identificeren en kwantificeren. Door de complexe hiërarchie van eiwitinteracties binnen tumorcellen vast te leggen, legt de technologie gedetailleerde moleculaire mechanismen bloot die de ziekteprogressie aansturen. Dit maakt nauwkeurigere diagnostiek mogelijk, waardoor kankersoorten nauwkeurig kunnen worden gesubtypeerd en agressieve vormen van de ziekte kunnen worden geïdentificeerd in slechts een paar uur, wat voorheen niet mogelijk was.

Verder biedt TETRIS essentiële inzichten op basis waarvan artsen therapeutische strategieën kunnen afstemmen op individuele patiënten. Het identificeren van de specifieke eiwitten en hun interacties die bijdragen aan de groei van kanker kan bijvoorbeeld leiden tot gerichte therapieën die de resultaten voor de patiënt verbeteren.

De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in Natuur Biomedische Technologie op 19 juni 2024. De eerste auteurs van de studie zijn Dr. Liu Yu en Dr. Noah Sundah. Beiden zijn onderzoeksfellows van NUS iHealthtech.

Het ontmaskeren van verraderlijke kankercellen

Eiwitten zijn verantwoordelijk voor bijna alle fundamentele levensprocessen. Begrijpen hoe deze bouwstenen van het leven met elkaar omgaan, is een cruciaal facet van de biologie en de geneeskunde.

Eiwitten interageren uitgebreid met elkaar om belangrijke functies en activiteiten op het gebied van gezondheid en ziekte aan te drijven. Het ontcijferen van deze interacties kan niet alleen leiden tot betere voorspellingen van celgedrag, maar heeft ook brede klinische toepassingen, van verbeterde ziektediagnostiek tot het ontwikkelen van effectievere therapeutische strategieën.

De huidige methoden voor het bestuderen van deze interacties hebben echter beperkingen, zoals onder meer valse resultaten en onvolledige profilering van eiwitinteracties.

De gouden standaardbenadering – gist-twee hybride testen – vereist genetische manipulatie en is beperkt tot paarsgewijze binaire interacties, waardoor deze ongeschikt is voor klinische monsters. Een andere veelgebruikte methode – op massaspectrometrie gebaseerde proteomics – mist vaak zwakke interacties als gevolg van uitgebreide monsterverwerking en blijft binair in de evaluatie ervan.

Al met al schieten deze methoden tekort in het vastleggen van het volledige spectrum van eiwitinteracties, met name de hogere-orde-interacties waarbij meerdere eiwitten op elkaar inwerken om grote functionele assemblages te vormen; veranderingen in eiwitinteracties van hogere orde zijn vaak gekoppeld aan agressievere vormen van kanker.

De NUS-onderzoekers wendden zich tot DNA-nanotechnologie voor een oplossing.

“DNA is een programmeerbaar materiaal en kan worden gebruikt om rijke informatie te coderen terwijl het voorspelbare interacties heeft, waardoor we geavanceerde architecturen kunnen maken met fijne ruimtelijke controle op nanometerschaal”, zegt Assoc Prof Shao, die leiding gaf aan het ontwerp van TETRIS. Ze is ook afkomstig van de afdeling Biomedische Technologie van het College of Design and Engineering van NUS.

TETRIS maakt gebruik van de voordelen van DNA-nanotechnologie en maakt gebruik van hybride moleculaire structuren als slimme encoders om eiwitinteracties rechtstreeks in patiëntmonsters in kaart te brengen. Elke encoder heeft een doelherkennend antilichaam en een sjabloon-DNA-barcode.

In actie binden de encoders niet alleen aan interacterende eiwitten, maar worden hun barcodes ook bilateraal gefuseerd met die van hun aangrenzende eenheden. De resulterende barcodes vangen dus alle informatie op – moleculaire identiteit en ruimtelijke relatie – en kunnen worden gebruikt om uitgebreide eiwitinteracties te decoderen.

In tegenstelling tot de huidige methoden meet TETRIS zowel paarsgewijze als hogere-orde eiwitinteracties, waardoor een uitgebreid beeld ontstaat van het complexe eiwitinteractoom.

“Beschouw eiwitten als afgevaardigden op een wetenschappelijke conferentie. Elke afgevaardigde ziet een naamplaatje met een unieke streepjescode. Wanneer ze interactie hebben, of ‘de hand schudden’, legt TETRIS deze interacties vast door hun streepjescodes aan elkaar te koppelen”, zegt Assoc Prof Lim, die leiding gaf aan de ontwikkeling van algoritmen die worden gebruikt om de door TETRIS verzamelde gegevens te verwerken.

“Hierdoor ontstaat een keten van interacties die we vervolgens via algoritmen kunnen lezen en decoderen. Net zoals we kunnen zien wie met wie aan het chatten is op de conferentie, stelt TETRIS ons in staat te zien hoe eiwitten in cellen interageren, waardoor we een lens krijgen waardoor we kunnen begrijpen en ziekten effectiever diagnosticeren.”

Assoc Prof Lim is ook van de afdeling Computerwetenschappen van de NUS School of Computing.

Een opvallend kenmerk van TETRIS ligt in het vermogen om eiwitinteracties direct in klinische monsters ter plaatse te coderen en decoderen. De technologie is getest op biopsieën van menselijke borstkankerweefsels, waaruit de subtypes van kanker nauwkeurig werden gediagnosticeerd en eiwitinteracties van hogere orde werden onthuld die verband houden met de agressiviteit van kanker.

De toekomst van de gezondheidszorg transformeren

TETRIS geeft een gedetailleerder en nauwkeuriger beeld van de moleculaire basis van ziekten – een zegen voor de diagnostiek en behandeling van kanker. Veranderingen in eiwitinteracties van hogere orde, die kenmerkend zijn voor agressieve kankers, kunnen gemakkelijker worden gedetecteerd, wat leidt tot beter geïnformeerde, gepersonaliseerde klinische beslissingen.

Bovendien is TETRIS ontworpen met schaalbaarheid en aanpassingsvermogen in gedachten. De technologie kan een groot aantal monsters verwerken en snel resultaten genereren met behulp van de bestaande laboratoriuminfrastructuur, waardoor deze met minimale verstoring kan worden geïntegreerd in routinematige klinische workflows.

De technologie kan bijvoorbeeld worden gebruikt in een dokterspraktijk, waar monsters verkregen via aspiratie met fijne naalden – een veiliger en minimaal invasieve biopsie – snel kunnen worden geanalyseerd om behandelbeslissingen te onderbouwen.

De NUS-onderzoekers zijn van plan de toepassing van TETRIS uit te breiden naar andere soorten kanker en neurologische ziekten, waardoor mogelijk de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe diagnostische hulpmiddelen en therapeutische interventies voor een breed spectrum van ziekten.

Het team heeft twee patenten aangevraagd voor de technologie en hoopt de innovatie te commercialiseren.