Nieuwe microchip legt exosomen vast voor snellere, gevoeligere detectie van longkanker via bloedafname

Een nieuwe manier om longkanker te diagnosticeren met bloedafname is tien keer sneller en veertien keer gevoeliger dan eerdere methoden, aldus onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

De aan de UM ontwikkelde microchip vangt exosomen – kleine pakketjes die door cellen worden vrijgegeven – uit bloedplasma op om tekenen van longkanker te identificeren.

Waar ooit werd gedacht dat het afval was dat uit cellen werd gestoten om te worden opgeruimd, hebben onderzoekers de afgelopen tien jaar ontdekt dat exosomen kleine pakketjes zijn die eiwitten of DNA- en RNA-fragmenten bevatten die waardevol zijn voor de communicatie tussen cellen. Hoewel exosomen van gezonde cellen belangrijke signalen door het lichaam verplaatsen, kunnen exosomen van kankercellen helpen bij de verspreiding van tumoren door weefsels voor te bereiden om tumorcellen te accepteren voordat ze arriveren.

“Kanker-exosomen die de micro-omgeving van de tumor verlaten, gaan naar buiten en bereiden de grond voor. Later worden de kankercelzaden uit de tumor afgestoten en reizen ze door de bloedbaan om zich in de geconditioneerde grond te planten en te beginnen te groeien”, zegt Sunitha Nagrath, UM-professor. van chemische en biomedische technologie en co-corresponderende auteur van de studie in het journaal Materie.

Exosomen dragen eiwitten zowel in het pakket als op hun buitenoppervlak. Zoals veel biologische moleculen zijn deze oppervlakte-eiwitten chiraal – wat betekent dat ze een rechts- of linksdraaiende draai hebben – waardoor ze op unieke manieren met licht interageren.

Bij kanker-exosomen zijn oppervlakte-eiwitten vaak gemuteerd, wat betekent dat een genetische verandering de volgorde van de moleculen waaruit het eiwit bestaat, heeft veranderd. Mutaties veranderen op subtiele wijze de vorm van het eiwit, waardoor ook de chiraliteit ervan verandert.

Deze verschillen kunnen worden opgemerkt door interacties met gedraaid (of circulair gepolariseerd) licht, dat kan overeenkomen met de draaiing in het eiwit. De resonantie creëert een sterk signaal dat wordt teruggestuurd naar een lichtdetector. Deze lichtsignaturen zijn echter doorgaans zwak en moeilijk te interpreteren. Bovendien moeten exosomen uit een bloedmonster worden gehaald om dit soort detectie uit te voeren. Dit is lastig omdat exosomen klein zijn: ze zijn slechts 30 tot 200 nanometer (een miljoenste millimeter) groot.

Om ze op te sporen ontwierp het onderzoeksteam gouden nanodeeltjes in de vorm van gedraaide schijven (overgenomen van een structuur die voor het eerst werd beschreven in een onderzoek uit 2022). Natuur studie) die exosomen vangen in een centrale holte. Vanwege een bijna perfecte match in grootte, vorm en oppervlaktechemie, vangen deze holtes op betrouwbare wijze exosomen op.

Met een rechtsdraaiende draai resoneren ze sterk bij rechtsdraaiend licht, maar sturen ze niet veel signaal terug als het binnenkomende licht een linksdraaiende lichtbundel heeft. Deze andere reactie op verdraaid licht staat bekend als circulair dichroïsme.

De eiwitten op de gevangen exosomen, verzonken in de holte, kunnen de intensiteit van het retoursignaal versterken of verminderen, afhankelijk van hun vorm. De gouden holtes, bezaaid langs de kleine kanalen van een microfluïdische chip, vingen exosomen op uit bloedplasma en onthulden verschillende handtekeningen tussen monsters gegeven door gezonde studiedeelnemers en die met longkanker.

“Hoewel ik verwachtte dat de optische activiteit van nanodeeltjes afhankelijk zou zijn van de mutaties in de eiwitten, was ik aangenaam verrast door de gevoeligheid ervan. Dit komt door het feit dat nanodeeltjes allemaal op dezelfde manier georiënteerd zijn in het detectieapparaat.” zei Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering aan de UM en co-corresponderende auteur van het onderzoek.

De microfluïdische chips, genaamd CDEXO-chips voor de detectie van circulair dichroïsme van EXOsomen, kunnen mogelijk onderscheid maken tussen specifieke longkankermutaties, waardoor artsen behandelbeslissingen kunnen nemen om zich op de dominante mutaties te richten wanneer deze veranderen.

De onderzoekers voorzien dat de CDEXO-chip eerst naast traditionele diagnostische methoden zal worden gebruikt. Naarmate het vertrouwen in de technologie groeit, kan de chip worden gebruikt om te screenen op andere vormen van kanker om de vroege detectie te verbeteren.

“Als volgende stap willen we kijken naar de meeste bekende solide tumor-gemuteerde eiwitten om te begrijpen hoe hun spectrale kenmerken verschillen. Van hieruit kunnen we de technologie pushen om die spectrale verschillen verder te vergroten om onderscheid te maken tussen eiwitten, ” zei Nagrath.