Een niet-invasieve test om kankercellen te detecteren en hun locatie te bepalen

De meeste tests die artsen gebruiken om kanker te diagnosticeren, zoals mammografie, colonoscopie en CT-scans, zijn gebaseerd op beeldvorming. Meer recent hebben onderzoekers ook moleculaire diagnostiek ontwikkeld die specifieke kanker-geassocieerde moleculen kan detecteren die circuleren in lichaamsvloeistoffen zoals bloed of urine.

MIT-ingenieurs hebben nu een nieuw diagnostisch nanodeeltje gemaakt dat beide kenmerken combineert: het kan de aanwezigheid van kankerachtige eiwitten onthullen door middel van een urinetest, en het functioneert als een beeldvormend middel dat de tumorlocatie lokaliseert. In principe zou deze diagnostiek kunnen worden gebruikt om kanker overal in het lichaam op te sporen, inclusief tumoren die zijn uitgezaaid vanaf hun oorspronkelijke locatie.

“Dit is een heel brede sensor die bedoeld is om te reageren op zowel primaire tumoren als hun metastasen. Het kan een urinesignaal veroorzaken en ons ook in staat stellen te visualiseren waar de tumoren zijn”, zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson Professor of Health Sciences en Technology and Electrical Engineering and Computer Science aan MIT en lid van MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science.

In een nieuwe studie toonden Bhatia en haar collega’s aan dat de diagnose kan worden gebruikt om de progressie van darmkanker te volgen, inclusief de verspreiding van uitgezaaide tumoren naar de longen en de lever. Uiteindelijk hopen ze dat het kan worden ontwikkeld tot een routinematige kankertest die jaarlijks kan worden uitgevoerd.

Bhatia is de hoofdauteur van de studie, die vandaag verschijnt in Natuurmaterialen. De hoofdauteur van het artikel is MIT-onderzoeker Liangliang Hao.

Tumoren lokaliseren

In de afgelopen jaren heeft Bhatia kankerdiagnostiek ontwikkeld die werkt door synthetische biomarkers te genereren die gemakkelijk in de urine kunnen worden gedetecteerd. De meeste kankercellen brengen enzymen tot expressie die proteasen worden genoemd en die hen helpen hun oorspronkelijke locatie te ontsnappen door door eiwitten van de extracellulaire matrix te snijden. Bhatia’s kankerdetecterende nanodeeltjes zijn gecoat met peptiden die door deze proteasen worden gesplitst. Wanneer deze deeltjes een tumor tegenkomen, worden de peptiden gesplitst en uitgescheiden in de urine, waar ze gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd. In diermodellen van longkanker kunnen deze biomarkers de aanwezigheid van tumoren vroeg detecteren; ze onthullen echter niet de exacte locatie van de tumor of dat de tumor zich buiten het orgaan van oorsprong heeft verspreid.

Voortbouwend op hun eerdere inspanningen wilden de MIT-onderzoekers ontwikkelen wat zij een “multimodale” diagnose noemen, die zowel moleculaire screening (detectie van het urinesignaal) als beeldvorming kan uitvoeren, om hen precies te vertellen waar de oorspronkelijke tumor en eventuele metastasen zich bevinden.

Om de deeltjes te modificeren zodat ze ook kunnen worden gebruikt voor PET-beeldvorming, voegden de onderzoekers een radioactieve tracer toe, koper-64 genaamd. Ze bedekten ze ook met een peptide dat wordt aangetrokken door zure omgevingen, zoals de micro-omgeving in tumoren, om de deeltjes te laten accumuleren op tumorplaatsen. Zodra ze een tumor bereiken, voegen deze peptiden zichzelf toe in celmembranen, waardoor een sterk beeldsignaal ontstaat boven achtergrondruis.

De onderzoekers testten de diagnostische deeltjes in twee muismodellen van uitgezaaide darmkanker, waarbij tumorcellen reizen naar en groeien in de lever of de longen. Na behandeling met een chemotherapiemedicijn dat vaak wordt gebruikt om darmkanker te behandelen, waren de onderzoekers in staat om zowel het urinesignaal als het beeldvormende middel te gebruiken om te volgen hoe de tumoren op de behandeling reageerden.

De onderzoekers ontdekten ook dat het leveren van koper-64 met hun nanodeeltjes een voordeel biedt ten opzichte van de strategie die doorgaans wordt gebruikt voor PET-beeldvorming. De PET-tracer, bekend als FDG, is een radioactieve vorm van glucose die wordt opgenomen door metabolisch actieve cellen, waaronder kankercellen. Het hart genereert echter een helder PET-signaal bij blootstelling aan FDG, en dat signaal kan zwakkere signalen van nabijgelegen longtumoren verdoezelen. Het gebruik van zuurgevoelige nanodeeltjes om koper-64 op te hopen in de tumoromgeving geeft een veel duidelijker beeld van longtumoren, vonden de onderzoekers.

Op weg naar kankerscreening

Indien goedgekeurd voor gebruik bij menselijke patiënten, voorziet Bhatia dat dit soort diagnostiek nuttig zou kunnen zijn om te evalueren hoe goed patiënten op de behandeling reageren, en voor langetermijnmonitoring van tumorrecidief of metastase, vooral voor darmkanker.

“Die patiënten zouden bijvoorbeeld om de zes maanden kunnen worden gecontroleerd met de urinaire versie van de test. Als de urinetest positief is, kunnen ze een follow-up geven met een radioactieve versie van hetzelfde middel voor een beeldvormend onderzoek dat zou kunnen aangeven waar de ziekte had plaatsgevonden. We zijn ook van mening dat het regelgevende pad kan worden versneld met beide testmethoden waarbij gebruik wordt gemaakt van een enkele formulering, “zegt Bhatia.

Op de langere termijn hoopt ze dat deze technologie kan worden gebruikt als onderdeel van een diagnostische workflow die periodiek kan worden gegeven om elke vorm van kanker op te sporen.

“De visie is dat je dit zou kunnen gebruiken in een screeningparadigma – alleen of in combinatie met andere tests – en we zouden gezamenlijk patiënten kunnen bereiken die tegenwoordig geen toegang hebben tot dure screeninginfrastructuur”, zegt ze. “Elk jaar zou je een urinetest kunnen krijgen als onderdeel van een algemene check-up. Je zou alleen beeldvormend onderzoek doen als de urinetest positief is om dan te achterhalen waar het signaal vandaan komt. We hebben nog veel meer werk te doen op de wetenschap om daar te komen, maar dat is waar we op de lange termijn naartoe willen.”

Glympse Bio, een bedrijf dat mede is opgericht door Bhatia, heeft klinische fase 1-onderzoeken uitgevoerd met een eerdere versie van de diagnostische urinedeeltjes en heeft vastgesteld dat deze veilig zijn bij patiënten.