Détection du cancer du poumon via des nanocapteurs inhalables, test d’urine sur papier

Grâce à une nouvelle technologie développée au MIT, diagnostiquer le cancer du poumon pourrait devenir aussi simple que d’inhaler des capteurs de nanoparticules, puis de faire un test d’urine révélant si une tumeur est présente. La nouvelle plateforme de diagnostic du cancer du poumon combine des nanocapteurs à code-barres ADN – des biocapteurs basés sur l’activité (ABN) – qui peuvent être inhalés via un nébuliseur ou un inhalateur, avec un simple test d’urine sur bandelette de papier pour détecter les molécules rapporteuses d’ADN synthétique qui indiquent la présence. de protéines spécifiques liées au cancer du poumon.

L’équipe suggère que la technologie, connue sous le nom de PATROL (nanosenors aérosolisables au point d’intervention avec codes-barres oligonucléotides sensibles aux tumeurs), pourrait potentiellement remplacer ou compléter l’étalon-or actuel pour le diagnostic du cancer du poumon, la tomodensitométrie (CT) à faible dose, et pourrait ont un impact particulièrement significatif dans les pays à revenu faible ou intermédiaire qui ne disposent pas d’un large accès aux tomodensitomètres.

« Nous poussions vraiment ce test à être disponible au point d’intervention dans un environnement à faibles ressources. L’idée était donc de ne procéder à aucun traitement d’échantillon, ni d’amplification, simplement pour pouvoir mettre l’échantillon directement sur le papier. et lisez-le en 20 minutes », a déclaré Sangeeta Bhatia, professeur John et Dorothy Wilson de sciences et technologies de la santé et de génie électrique et informatique au MIT, et membre de l’Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer et de l’Institute for Medical. Ingénierie et sciences.

Rendre compte de leurs développements dans Avancées scientifiques, l’auteur principal Bhatia et ses collègues ont suggéré que la technologie pourrait également être utilisée pour diagnostiquer d’autres troubles et infections pulmonaires. « Grâce à l’intégration de différents composants technologiques, nous avons établi une approche non invasive « inhaler et détecter » pour diagnostiquer avec précision le cancer du poumon à un stade précoce qui ne nécessiterait pas de personnel médical qualifié, de traitement de longue durée ou de laboratoires de diagnostic centralisés… la grande modularité de PATROL permet d’étendre son potentiel pour parvenir à une détection rapide des troubles et infections pulmonaires chroniques. Le document de l’équipe s’intitule «Plateforme de diagnostic urinaire inhalable au point d’intervention.» Qian Zhong, PhD, chercheur scientifique au MIT, et Edward Tan, PhD, ancien postdoctorant au MIT, sont les principaux auteurs de l’étude.

Les décès par cancer du poumon continuent de diminuer dans les pays ayant un indice de développement (IDH) élevé, et cela est dû en partie aux progrès des outils de détection précoce et à un traitement plus rapide, ont noté les auteurs. « Lorsqu’elle est disponible, la tomodensitométrie à faible dose (LDCT) constitue la norme de soins pour dépister le cancer du poumon à un stade précoce chez les personnes à haut risque et asymptomatiques, et cette pratique a conduit à une réduction d’environ 20 à 25 % de la mortalité dans essais cliniques », ont-ils écrit.

En revanche, une mortalité disproportionnellement élevée par cancer du poumon est observée dans les pays à revenu faible et intermédiaire (PRFI) où l’accès à l’imagerie médicale peut être limité. « … l’accès réduit des patients à l’imagerie et la pénurie de personnel qualifié restent des défis cliniques notables dans les zones situées en dehors des infrastructures d’imagerie urbaines dans les pays IDH, sans parler des PRFI… illustrant l’inéquité en matière de diagnostic précoce dans les contextes aux ressources limitées. » Et c’est ce manque d’accès à la technologie qui représente l’un des principaux défis dans la lutte contre les disparités en matière de santé liée au cancer.

Bhatia a également noté : « Partout dans le monde, le cancer va devenir de plus en plus répandu dans les pays à revenu faible et intermédiaire… L’épidémiologie du cancer du poumon à l’échelle mondiale est qu’il est provoqué par la pollution et le tabagisme, nous savons donc que ce sont des contextes où l’accessibilité à ce type de technologie pourrait avoir un impact important.

Bhatia a passé la dernière décennie à développer des nanocapteurs destinés au diagnostic du cancer et d’autres maladies. Pour leur dernière étude, Bhatia et ses collègues ont exploré la possibilité d’utiliser la technologie des nanocapteurs comme alternative accessible au dépistage du cancer du poumon par tomodensitométrie.

La plate-forme de nanocapteurs se compose de nanoparticules polymères recouvertes d’un code-barres d’ADN rapporteur qui est clivé de la particule lorsque le capteur rencontre une enzyme protéase spécifique. Certaines protéases sont généralement hyperactives dans les tumeurs. Les rapporteurs clivés finissent par s’accumuler dans l’urine et sont excrétés du corps.

Les versions précédentes des capteurs, qui ciblaient d’autres sites de cancer tels que le foie et les ovaires, étaient conçues pour être administrées par voie intraveineuse. Pour le diagnostic du cancer du poumon, les chercheurs souhaitaient créer une version pouvant être inhalée, ce qui pourrait faciliter son déploiement dans des contextes à ressources limitées. Pour y parvenir, ils ont créé deux formulations de leurs particules : une solution qui peut être aérosolisée et administrée avec un nébuliseur, et une poudre sèche qui peut être administrée à l’aide d’un inhalateur. “Nous avons d’abord formulé les ABN sous forme d’aérosols à l’échelle microscopique qui pourraient être administrés avec des nébuliseurs ou des inhalateurs cliniques et qui favorisent un dépôt profond dans les poumons”, ont-ils expliqué. « … ces nanocapteurs de protéase peuvent être formulés pour une administration pulmonaire efficace par aérosol par nébulisation directe à partir de solutions aqueuses ou par incorporation dans des microparticules sèches respirables. »

“Lorsque nous avons développé cette technologie, notre objectif était de fournir une méthode capable de détecter le cancer avec une spécificité et une sensibilité élevées, et également d’abaisser le seuil d’accessibilité, afin que nous puissions, espérons-le, améliorer la disparité des ressources et l’iniquité dans la détection précoce du cancer du poumon.” » expliqua Zhong.

Une fois que les particules inhalées atteignent les poumons, elles sont absorbées dans les tissus où elles rencontrent les protéases éventuellement présentes. Les cellules humaines peuvent exprimer des centaines de protéases différentes, et certaines sont généralement hyperactives dans les tumeurs, où elles aident les cellules cancéreuses à s’échapper de leur emplacement d’origine en coupant les protéines de la matrice extracellulaire (MEC). Ces protéases liées au cancer clive les codes-barres d’ADN spécifiques aux protéases des particules du nanocapteur, et les codes-barres circulent ensuite dans la circulation sanguine jusqu’à ce qu’ils soient excrétés dans l’urine.

Dans les versions antérieures de cette technologie, les chercheurs utilisaient la spectrométrie de masse pour analyser l’échantillon d’urine et détecter les codes-barres ADN. Cependant, la spectrométrie de masse nécessite un équipement qui pourrait ne pas être disponible dans les zones à faibles ressources. C’est pourquoi, pour la technologie PATROL, les chercheurs ont créé un test à flux latéral (LFA) qui permet de détecter les codes-barres à l’aide d’une simple bandelette de test en papier sur un lecteur portable. Aucun prétraitement ou traitement de l’échantillon d’urine n’est requis et les résultats peuvent être lus environ 20 minutes après l’obtention de l’échantillon.

Pour leur étude, les enquêteurs ont testé le système sur des souris génétiquement modifiées pour développer des tumeurs pulmonaires similaires à celles observées chez l’homme. Les nanocapteurs ont été administrés aux animaux par inhalation sept semaines et demie après le début de la formation des tumeurs, un moment qui serait probablement en corrélation avec le cancer de stade 1 ou 2 chez l’homme.

Dans leur première série d’expériences sur des souris, les chercheurs ont mesuré les niveaux d’un panel de 20 capteurs différents conçus pour détecter différentes protéases sélectionnées dans une bibliothèque de sondes potentielles. “Nous avons cherché à identifier un ensemble minimal de sondes de précision qui pourraient offrir un pouvoir prédictif élevé via des opérations de dépistage simplement viables adaptées aux contextes décentralisés, et ainsi aider à éclairer la détection précoce et à lancer une interception en temps opportun”, ont-ils expliqué.

« Le panel final élargi de 20 candidats a ensuite été évalué via un criblage in vivo sur des modèles de souris dans le but de désigner un petit ensemble de sondes sur mesure avec une compatibilité low-plex. » Les résultats des expériences avec les 20 nanocapteurs initiaux ont été analysés à l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, permettant aux chercheurs d’identifier une combinaison de seulement quatre capteurs censés donner des résultats de diagnostic précis. « … nous avons réduit la taille d’une vaste bibliothèque d’ABN adaptés à une cohorte de 4 plex et les avons réorganisés avec des codes-barres d’ADN synthétique pour permettre un multiplexage facile avec les LFA à température ambiante », ont-ils déclaré.

Des tests sur le modèle murin de cancer du poumon ont confirmé que cette combinaison de nanocapteurs à codes-barres pouvait détecter avec précision les tumeurs pulmonaires à un stade précoce. « Avec une spécificité de 100 %, les ABN 4-plex nébulisés présentaient une sensibilité de 84,6 %… » ont rapporté les scientifiques.

Résumant leur technologie dans le Avancées scientifiques Dans son article, l’équipe a conclu : « Ce travail a établi PATROL comme une plateforme de détection POC qui intègre des biomarqueurs synthétiques inhalables modulaires et des LFA multiplexables pour détecter, de manière non invasive avec de faibles besoins en infrastructure, une activité protéolytique dérégulée qui est en corrélation avec le cancer du poumon à un stade précoce. »

Les chercheurs prévoient ensuite d’analyser des échantillons de biopsies humaines pour voir si les panneaux de capteurs qu’ils utilisent fonctionneraient également pour détecter les cancers humains. Ils reconnaissent qu’il est possible que davantage de capteurs soient nécessaires pour établir un diagnostic précis du cancer du poumon chez l’homme, mais cela pourrait être réalisé en utilisant plusieurs bandes de papier, dont chacune détecte quatre codes-barres ADN différents.

À plus long terme, les chercheurs espèrent réaliser des essais cliniques sur des patients humains. Une société appelée Sunbird Bio a déjà mené des essais de phase I sur un capteur similaire développé par le laboratoire de Bhatia, destiné à diagnostiquer le cancer du foie et la stéatohépatite non alcoolique (NASH).

Dans les régions du monde où l’accès au scanner est limité, la technologie PATROL pourrait offrir une amélioration spectaculaire du dépistage du cancer du poumon, d’autant plus que les résultats peuvent être obtenus au cours d’une seule visite.

« L’idée serait que vous veniez et que vous obteniez ensuite une réponse quant à savoir si vous avez besoin d’un test de suivi ou non, et nous pourrions intégrer les patients présentant des lésions précoces dans le système afin qu’ils puissent bénéficier d’une intervention chirurgicale curative ou de médicaments qui sauvent des vies. » Bhatia dit. Dans leur article, les auteurs concluent : « … des kits de diagnostic hautement modulaires tels que PATROL, qui peuvent offrir des résultats de test en une seule séance, transformeraient la détection des tumeurs malignes du poumon… »

L’équipe suggère que la technologie pourrait également être utilisée pour stratifier les patients et aider les cliniciens à sélectionner le meilleur traitement. « PATROL peut également permettre d’améliorer la stratification du risque de lésions précoces afin de déterminer la sélection clinique des procédures de suivi… Nous envisageons qu’en libérant le dépistage des maladies de son environnement actuel à forte intensité de ressources, nous pourrions permettre des tests de surveillance réalisables qui identifieraient une maladie. alors qu’il est encore facile à traiter.