Nieuwe techniek om kankermetastasen te diagnosticeren maakt gebruik van origami nanoprobes

Johns Hopkins-ingenieurs hebben een nieuw optisch hulpmiddel ontwikkeld dat kankerbeeldvorming kan verbeteren. Hun aanpak, SPECTRA genaamd, maakt gebruik van kleine nanoprobes die oplichten wanneer ze zich hechten aan agressieve kankercellen, waardoor clinici onderscheid kunnen maken tussen gelokaliseerde kankers en kankers die metastasen zijn en zich door het lichaam kunnen verspreiden.

“Onze bevindingen laten zien dat SPECTRA een enorm potentieel heeft voor kankerdetectie en -beeldvorming,” aldus teamleider Ishan Barman, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Whiting School of Engineering. “We geven clinici een krachtiger hulpmiddel waarmee ze kankercellen eerder en nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen vinden.”

Het onderzoek van het team komt naar voren in Geavanceerde functionele materialen.

SPECTRA is schaalbaar en kosteneffectiever dan huidige methoden en maakt gebruik van een unieke combinatie: Ramanspectroscopie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de verstrooiing van laserlicht om gedetailleerde informatie te verschaffen over moleculaire trillingen, en DNA-origami, waarbij DNA in specifieke vormen wordt gevouwen, zoals in de Japanse kunst van het papiervouwen.

Het team gebruikte het gevouwen DNA als een steiger om nauwkeurig gerangschikte plasmonische nanodeeltjes, Raman-reporters (een molecuul dat een sterk signaal produceert wanneer het wordt geanalyseerd met Raman-spectroscopie) en kankergerichte DNA-sequenties te creëren. Deze multifunctionele nanoprobes werden vervolgens getest op kankercellen.

Het team ontdekte dat SPECTRA, in tegenstelling tot CT- of MRI-scans die de aanwezigheid van een tumor kunnen aantonen maar niet de specifieke moleculaire kenmerken die artsen kunnen waarschuwen voor huidige of dreigende metastasen, effectief en consistent bindt aan gemetastaseerde prostaatkanker DU145-cellen en zelfs onderscheid maakt tussen deze en niet-gemetastaseerde cellen.

Bovendien selecteerden de onderzoekers een Raman-reporter, een signaalmolecuul, dat resulteert in een actief en duidelijk signaal in een bereik waardoor het duidelijk afsteekt tegen de achtergrond van normaal weefsel, waardoor clinici de ziekte nauwkeuriger kunnen lokaliseren.

“Het is een slim ontwerp dat een hoge versterking geeft aan het Raman-signaal, en het is uniform,” zei teamlid Swati Tanwar, een postdoctoraal onderzoeker in werktuigbouwkunde. “Het kan agressieve kankercellen onderscheiden van niet-agressieve op basis van de intensiteit van het signaal. In een tumor, als 10% van de cellen agressief is en 90% niet-agressief, zal de 10% oplichten en een zeer hoog signaal afgeven.”

Tanwar zei dat elke streng DNA in de origami-scaffold een unieke sequentie heeft en een specifieke positie inneemt in de gevouwen origami-nanostructuur. Deze nauwkeurige opstelling vergemakkelijkte de creatie van de multifunctionele SPECTRA-nanoprobe.

“Ramanspectroscopie is een moleculaire vingerafdruktool”, aldus teamlid Lintong Wu, een Ph.D.-student in werktuigbouwkunde. “Moleculen kunnen er op afstand hetzelfde uitzien, maar met behulp van Ramanspectroscopie vertonen ze verschillende pieken en signalen over het hele spectrum.”