Plateforme de diagnostic urinaire inhalable au point d’intervention pour la détection précoce du cancer du poumon

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.

Le nouveau diagnostic repose sur des nanocapteurs pouvant être délivrés par un inhalateur ou un nébuliseur. Si les capteurs rencontrent des protéines liées au cancer dans les poumons, ils produisent un signal qui s’accumule dans l’urine, où il peut être détecté à l’aide d’une simple bandelette de test en papier.

Cette approche pourrait potentiellement remplacer ou compléter l’étalon-or actuel pour diagnostiquer le cancer du poumon, la tomodensitométrie (TDM) à faible dose. Selon les chercheurs, cela pourrait avoir un impact particulièrement significatif dans les pays à revenu faible ou intermédiaire qui ne disposent pas d’un accès généralisé aux tomodensitomètres.

Partout dans le monde, le cancer va devenir de plus en plus répandu dans les pays à revenu faible ou 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 dans lesquels l’accessibilité à ce type de technologie pourrait avoir un impact important. »

Sangeeta Bhatia, professeure 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 pour la recherche intégrative sur le cancer du MIT et de l’Institut d’ingénierie et de science médicales

Bhatia est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Avancées scientifiques. Qian Zhong, chercheur scientifique au MIT, et Edward Tan, ancien postdoctorant du MIT, sont les principaux auteurs de l’étude.

Particules inhalables

Pour aider à diagnostiquer le cancer du poumon le plus tôt possible, le groupe de travail américain sur les services de prévention recommande aux gros fumeurs de plus de 50 ans de subir un scanner annuel. Cependant, tous les membres de ce groupe cible ne reçoivent pas ces analyses, et le taux élevé de faux positifs des analyses peut conduire à des tests inutiles et invasifs.

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

Ces capteurs sont constitués de nanoparticules polymères recouvertes d’un rapporteur, tel qu’un code-barres d’ADN, qui est clivé de la particule lorsque le capteur rencontre des enzymes appelées protéases, qui sont souvent hyperactives dans les tumeurs. Ces rapporteurs finissent par s’accumuler dans l’urine et sont excrétés par le 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 faibles ressources.

“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”, ” dit Zhong.

Pour y parvenir, les chercheurs 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.

Une fois que les particules 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 d’entre elles sont 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. Ces protéases cancéreuses clivent les codes-barres d’ADN des capteurs, permettant ainsi aux codes-barres de circuler 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. Pour cette version, les chercheurs ont donc créé un test à flux latéral, qui permet de détecter les codes-barres à l’aide d’une bandelette de test en papier.

Les chercheurs ont conçu la bandelette pour détecter jusqu’à quatre codes-barres d’ADN différents, chacun indiquant la présence d’une protéase différente. 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.

“Nous poussions vraiment ce test à être disponible au point d’intervention dans un environnement à faibles ressources, donc l’idée était de ne pas effectuer de traitement d’échantillon, de ne pas faire d’amplification, juste pour pouvoir mettre l’échantillon directement sur le papier. et lisez-le en 20 minutes”, dit Bhatia.

Diagnostic précis

Les chercheurs ont testé leur système de diagnostic sur des souris génétiquement modifiées pour développer des tumeurs pulmonaires similaires à celles observées chez l’homme. Les capteurs ont été administrés 7,5 semaines 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 de 20 capteurs différents conçus pour détecter différentes protéases. En utilisant un algorithme d’apprentissage automatique pour analyser ces résultats, les chercheurs ont identifié une combinaison de seulement quatre capteurs qui devraient donner des résultats de diagnostic précis. Ils ont ensuite testé cette combinaison sur un modèle murin et ont découvert qu’elle pouvait détecter avec précision les tumeurs pulmonaires à un stade précoce.

Pour une utilisation chez l’homme, il est possible que davantage de capteurs soient nécessaires pour établir un diagnostic précis, mais cela pourrait être réalisé en utilisant plusieurs bandelettes de papier, dont chacune détecte quatre codes-barres ADN différents, disent les chercheurs.

Les chercheurs prévoient maintenant d’analyser des échantillons de biopsies humaines pour voir si les panneaux de capteurs qu’ils utilisent fonctionneraient également pour détecter les cancers humains. À plus long terme, ils espèrent réaliser des essais cliniques sur des patients humains. Une société appelée Sunbird Bio a déjà mené des essais de phase 1 sur un capteur similaire développé par le laboratoire de Bhatia, destiné à diagnostiquer le cancer du foie et une forme d’hépatite connue sous le nom de stéatohépatite non alcoolique (NASH).

Dans les régions du monde où l’accès au scanner est limité, cette technologie 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 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.

La recherche a été financée par la Johnson & Johnson Lung Cancer Initiative, le Howard Hughes Medical Institute, la subvention de soutien (de base) du Koch Institute du National Cancer Institute et le National Institute of Environmental Health Sciences.