Биосенсоры без клеток: точность и простота для диагностики рака
Исследователи из Технологического института Джорджии разработали биосенсоры с продвинутыми возможностями детекции, что может произвести революцию в выявлении и мониторинге рака.
Эти крошечные детекторы могут идентифицировать ключевые биологические маркеры, используя логические рассуждения, вдохновленные функцией «И» (AND) в компьютерах — подобно тому, как для входа в систему нужны и логин, и пароль. В отличие от традиционных биосенсоров на основе генетических материалов (клеток, фрагментов ДНК), эти созданы из синтезированных молекул.
Новые биосенсоры более точны и проще в производстве, что снижает количество ложноположительных результатов и делает их более практичными для клинического использования. Поскольку сенсоры не содержат клеток, снижен риск иммуногенных побочных эффектов.
«Мы считаем, что точность и простота наших биосенсоров приведут к созданию доступных, персонализированных и эффективных методов лечения, которые в конечном итоге спасут жизни», — заявил Гейб Квонг, доцент и руководитель исследования, опубликованного в этом месяце в Nature Nanotechnology.
Разрыв с традицией
Исследователи стремились преодолеть ограничения современных биосенсоров для рака, например, тех, что созданы для CAR-T-клеток. Такие продвинутые биосенсоры сделаны из генетического материала, и растет интерес к снижению риска нецелевой токсичности с помощью булевой логики «И-вентиля» (AND-gate). Это означает, что они сконструированы для выдачи сигнала только при выполнении двух конкретных условий.
«Традиционно создание таких биосенсоров связано с генной инженерией на основе клеточных систем — это сложный, длительный и дорогой процесс», — пояснил Квонг.
Поэтому его команда разработала биосенсоры из наночастиц оксида железа и специальных молекул — циклических пептидов. Синтез наноматериалов и пептидов — более простой и менее затратный процесс, чем генная инженерия, что, по словам Квонга, «означает, что мы, вероятно, сможем наладить крупномасштабное и экономичное производство высокоточных биосенсоров».
Принцип «И-вентиля»
Биосенсоры обнаруживают сигналы рака и отслеживают прогресс лечения, преобразуя биологические сигналы в читаемый для врачей результат. При логике AND-gate для получения выхода требуются два различных входных сигнала.
Соответственно, исследователи сконструировали циклические пептиды — небольшие цепочки аминокислот — так, чтобы они реагировали только при встрече с двумя специфическими типами ферментов: протеазами гранзимом B (секретируемым иммунной системой) и матриксной металлопротеиназой (от раковых клеток). Пептиды генерируют сигнал, когда присутствуют и активны обе протеазы.
Это похоже на высокозащищенный замок, для открытия которого нужны два уникальных ключа. В этом сценарии пептиды — это замок, активирующий сигнал сенсора только при наличии рака и его атаке иммунной системой.
«Наши пептиды обеспечивают большую точность в обнаружении активности рака, — сказал ведущий автор исследования Анирудх Сивакумар. — Это очень специфично, что важно для понимания, когда иммунные клетки атакуют и уничтожают опухолевые клетки».
Высокая специфичность
В исследованиях на животных биосенсоры успешно отличали опухоли, реагирующие на распространенное лечение иммунотерапией ингибиторами контрольных точек (ICBT), от опухолей, устойчивых к лечению.
Во время тестов сенсоры также продемонстрировали способность избегать ложных сигналов от других, не связанных проблем со здоровьем, например, когда иммунная система боролась с гриппозной инфекцией в легких, вдали от опухоли.
«Такой уровень специфичности может изменить правила игры, — отметил Квонг. — Представьте, что можно определить, какие пациенты реагируют на терапию, на ранних этапах лечения. Это сэкономит время и улучшит результаты для пациентов».
Первый шаг к этой более простой и точной форме диагностики рака был сделан пять лет назад в результате сотрудничества лаборатории Квонга и лаборатории М.Дж. Финна. Проект вырос в мультиинституциональный, включив исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде, а также профессоров Джорджии Финна и Пэн Цю.