Vroege ziektedetectie versnellen met nanobiotechnologie

Stelt u zich dit scenario eens voor:Jaarlijkse lichamelijke onderzoeken worden aangevuld met een betaalbare diagnostische chip voor thuis, zodat u uw basisgezondheid regelmatig kunt controleren met slechts een eenvoudig urinemonster. Hoewel u uiterlijk in goede gezondheid lijkt te verkeren, vertoont het apparaat een fluctuatie in uw biomarkerprofiel, wat wijst op de mogelijke opkomst van kanker in een vroeg stadium of de aanwezigheid van een virus.

Diagnostische apparaten zoals een zwangerschapstest voor thuis bestaan ​​al sinds de jaren zeventig. Het zorgde voor een revolutie in het vermogen van een vrouw om erachter te komen of ze zwanger was zonder te hoeven wachten op een doktersafspraak om haar vermoedens te bevestigen. De test is gebaseerd op het detecteren van een hormoon, humaan choriongonadotrofine, dat aanwezig is in de urine. Maar kan het detecteren van kanker of een dodelijk virus uit een soortgelijk monster en apparaat zo eenvoudig en niet-invasief zijn?

IBM Research's 2cmx2cm nanoDLD-chip gemonteerd in een microfluïdische mal

De afgelopen jaren heeft een multidisciplinair team bij IBM Research onder leiding van Dr. Joshua Smith, onderzoekswetenschapper en meester-uitvinder, en Dr. Gustavo Stolovitzky, programmadirecteur van IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, dit idee onderzocht door siliciumtechnologie ombouwen en gebruiken om deeltjes op nanoschaal te scheiden, zoals de elementen van virussen en kankers.

Het antwoord ligt op het snijvlak van menselijke biologie en nanotechnologie. Ten eerste hebt u een "vloeibare biopsie" nodig, die kan worden verkregen uit urine- of speekselmonsters. Vervolgens moeten de nanometer-kleine biomoleculen worden gescheiden voor stroomafwaartse detectie van een ziekte, zelfs als de aanwezigheid fysiek niet detecteerbaar is. De scheidingstechnieken van vandaag vereisen dure apparatuur, een biochemisch laboratorium en getrainde technici, waardoor regelmatige screenings onpraktisch zijn. Maar een op chips gebaseerde nanotech-benadering zou een eenvoudige en betaalbare optie kunnen bieden om artsen in staat te stellen een ziekte mogelijk te detecteren en te volgen, zelfs in de vroegste stadia, lang voordat fysieke symptomen zich manifesteren en wanneer de prognose voor behandelingsopties het meest positief is. Het is de heilige graal voor medische professionals:behandel mensen vóór ze worden chronisch ziek.

Het grote voordeel van het team is de combinatie van ultramoderne nanotechnologie en fabricagetechnieken met expertise op het gebied van computationele biologie. Deze krachtige synergie is moeilijk te verkrijgen in andere onderzoekslaboratoria.

Ken uw biodeeltjes

Het scheiden van biodeeltjes is geenszins een nieuw concept, maar in hun laatste experimenten is het team van Smith en Stolovitzky de eerste die met succes biomoleculen op nanoschaal heeft gescheiden - met name exosomen (van cellen afgeleide blaasjes die worden aangetroffen in lichaamsvloeistoffen die genetische lading bevatten die vrijkomt uit de moedercel) tot slechts 20 nm in diameter, ongeveer 1/5.000ste van een mensenhaar. Op deze schaal kan een groot aantal belangrijke biodeeltjes worden gescheiden, waaronder de bovengenoemde exosomen, DNA, virussen en eiwitcomplexen, die mogelijk het vroege begin van een ziektetoestand of het bestaan ​​van een virus kort na blootstelling kunnen signaleren, of worden gebruikt om ziekteprogressie volgen.

Met behulp van een technologie die nanoschaal deterministische laterale verplaatsing of nanoDLD wordt genoemd, kan een vloeibaar monster in een continue stroom door een siliciumchip worden geleid die speciaal is ontworpen met een asymmetrische pilaararray. Met deze array kan het systeem een ​​microscopisch kleine waterval van deeltjes sorteren, waarbij deeltjes op grootte worden gescheiden tot een resolutie van tientallen nanometers. Scheiding vindt plaats wanneer kleinere deeltjes in een zigzagbeweging in de richting van de vloeistof bewegen, terwijl grotere deeltjes door de array botsen in de richting van de asymmetrie van de pijler, zoals vrachtwagenchauffeurs die op een snelweg de vrachtwagenbaan in worden gedwongen, waardoor materialen van verschillende groottes mogelijk zijn te isoleren voor stroomafwaartse detectie of analyse.

"De maatschappelijke impact van dit onderzoek is dat het artsen in staat zou kunnen stellen kanker vroeg op te sporen... wanneer er meer mogelijkheden zijn om te genezen," zei Stolovitzky. “We wilden dat dit onderzoek zich op het gebied van kanker zou richten en ook op het gebied van het opsporen van DNA en virussen zoals Zika. Alles komt neer op hetzelfde:een klein en betaalbaar diagnostisch hulpmiddel kunnen hebben dat minieme hoeveelheden biomarkerdeeltjes kan detecteren die artsen iets vertellen over iemands gezondheid."

Schaal van biologie van mens tot atoom en de nieuwe nanoschaalbereiken die het nanoDLD-apparaat van IBM Research kan bereiken [volledige infographic]

Smith voegde toe:"De mogelijkheid voor artsen om regelmatig het biologische profiel van een persoon te screenen op een betaalbare en niet-invasieve manier heeft het potentieel om een ​​nieuw tijdperk van preventieve in te luiden. gezondheidszorg en het vergroten van ons begrip van de factoren die bijdragen aan ziekteprogressie.”

Exosomen gebruiken om preventieve geneeskunde te pionieren

Als onderdeel van de voortdurende ontwikkeling van deze technologie werkt IBM Research samen met een team van Mount Sinai Health System, geleid door Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, voorzitter van de afdeling Pathologie van het Mount Sinai Health System en professor van pathologie, genetica en genomische wetenschappen, en oncologische wetenschappen aan de Icahn School of Medicine. De samenwerking brengt de domeinexpertise van Mount Sinai op het gebied van kanker en pathologie samen, terwijl IBM Research zijn bio-informatica-ervaring en zijn nieuwste scheidingstechnologie op nanoschaal met zich meebrengt.

In de strijd tegen kanker worden exosomen steeds meer gezien als bruikbare biomarkers voor de diagnose en prognose van kwaadaardige tumoren. Exosomen komen vrij in gemakkelijk toegankelijke lichaamsvloeistoffen zoals bloed en urine en vormen een kostbaar biomedisch hulpmiddel, omdat ze de oorsprong van kanker kunnen onthullen.

“We hebben ons gerealiseerd dat cellen tegen zichzelf praten door boodschappers te sturen. Sommige van deze boodschappers worden opgeslagen en overgebracht in verschillende kleine blaasjes of exosomen. We hebben geleerd dat er in deze enveloppen veel kritische informatie te vinden is, inclusief informatie die wordt gecodeerd door eiwitten, of zelfs de boodschappers van onze eigen cel in de vorm van DNA-genfragmenten en RNA-moleculen,” zei Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo wordt gemotiveerd door de mogelijkheid om de informatie in exosomen te gebruiken om ziekten voor te blijven.

“Vandaag de dag streven we niet naar ‘gezondheidszorg’ in de context van zijn gedegen definitie. Tegenwoordig voeren we in wezen uit wat we kunnen definiëren als 'ziekenzorg'. Gezonde individuen, medische professionals en de samenleving in het algemeen moeten worden opgeleid om 'gezondheidszorg' te accepteren en te implementeren. We vinden de tijd om onze auto voor de jaarlijkse inspectie te brengen. , maar niet onszelf. Vaak is het omdat we bang zijn dat er iets mis kan zijn. Exosomen kunnen helpen bij het vroegtijdig opsporen van ziekten. Door te vragen welke berichten er tussen organen worden verzonden om te voorspellen wat er kan gebeuren, zou het een van de interessantste nieuwe manieren zijn om naar gezondheidszorg te kijken.”

Cordon-Cardo is van mening dat experts met de nanoDLD-technologie van IBM de berichten die tussen cellen en organen worden verzonden, effectiever kunnen afluisteren op een niet-invasieve manier. Door dit intercellulaire gesprek regelmatiger te volgen, kunnen experts optreden als een virtuele chaperonne en zorgvuldig observeren totdat de tijd komt dat ofwel de toestand is omgekeerd en de patiënt is teruggekeerd naar een gezonde toestand, of dat artsen kunnen beslissen dat iets meer invasiefs terecht nodig is .

Elektronenmicrofoto van exosomen op een oppervlak.

“Als we de ziekte voor zijn, kunnen we die meestal goed aanpakken; maar als de ziekte voor ons ligt, is de reis meestal veel moeilijker. Een van de belangrijke ontwikkelingen die we in deze samenwerking proberen, is om de basis te hebben om moleculaire handtekeningen te identificeren die er al heel vroeg kunnen zijn," zei hij.

Testen met prostaatkanker

IBM Research en Mount Sinai zijn van plan om de nanoDLD-technologie te testen op prostaatkanker, de meest voorkomende kanker bij mannen in de VS. Bij prostaatkanker raden artsen aan dat mannen ouder dan 50 jaar zich jaarlijks laten testen op een prostaatspecifiek antigeen (PSA) uit een bloedmonster. Het hebben van een verhoogd PSA-niveau betekent echter niet noodzakelijk dat iemand prostaatkanker heeft of zal krijgen. Omgekeerd sluit het niet testen van positief op PSA ook niet uit dat een persoon prostaatkanker vormt.

De hoop is om te zoeken naar specifieke, gevoelige biomarkers, en exosomen vertegenwoordigen tegenwoordig een nieuwe grens die aanwijzingen biedt die het antwoord kunnen bieden op de vraag of een persoon kanker heeft.

“Met exosomen krijg je een glimp van wat een kankercel aan het verwerken is. Cellen scheiden de hele tijd exosomen af. Als we ze detecteren, kunnen we zien wat erin zit zonder de kanker aan te raken', zei Stolovitzky.

Op dit moment bevindt het onderzoek zich nog in de beginfase. De nieuwste wetenschappelijke resultaten van het IBM Research-team zijn vandaag gepubliceerd in Nature Nanotechnology*. Als onderdeel van de volgende stappen hoopt het team het volume en de doorvoer te vergroten van wat het apparaat aankan en het apparaat zo te ontwerpen dat het biodeeltjes kleiner dan 20 nanometer kan scheiden, waardoor ze in het rijk van individuele eiwitten terechtkomen.

Ze zijn ook van plan om te bevestigen dat hun apparaat in staat is om het soort biomarkers op te pikken dat ze zouden verwachten in de exosomen van prostaatkankerpatiënten, en zullen blijven werken aan het bouwen van een prototype van klinische kwaliteit. Klinische proeven zouden nodig zijn voordat een apparaat op de markt zou kunnen komen. Maar net zoals de zwangerschapstest het spel voor aanstaande vrouwen heeft veranderd, kunnen we op een dag in onze toekomst misschien een eenvoudig point-of-care-apparaat gebruiken dat ons duidelijke tekenen van onze gezondheid geeft voordat we zelfs maar enige symptomen opmerken.

Voetnoot:

*Natuur nanotechnologie: Laterale verplaatsingsarrays op nanoschaal voor scheiding van exosomen en colloïden tot 20n, DOI:10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (huidige samenwerking:Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research) en Yann Astier (huidige samenwerking:Roche Molecular Systems)