Nanosonde lipidiche (blu, di colore verde e giallo) si inseriscono spontaneamente nel doppio strato lipidico di tre vescicole extracellulari. Il contenuto del carico delle vescicole extracellulari include proteine, DNA e RNA. Le vescicole extracellulari marcate con nanosonda lipidica vengono catturate sulla superficie di una sfera magnetica (nera, in basso) attraverso l'interazione con molecole di avidina coniugata (rosso). L'isolamento dell'esosoma e la sua analisi del carico offrono nuove opportunità per una vasta gamma di analisi molecolari, compreso il rilevamento di mutazioni dal plasma sanguigno di pazienti oncologici. Credito:Xin Zou/Penn State
Un prodotto su scala nanometrica di cellule umane che un tempo era considerato spazzatura è ora noto per svolgere un ruolo importante nella comunicazione intercellulare e in molti processi patologici, comprese le metastasi del cancro. I ricercatori della Penn State hanno sviluppato nanosonde per isolare rapidamente questi marcatori rari, chiamate vescicole extracellulari (EV), per il potenziale sviluppo di diagnosi oncologiche di precisione e trattamenti antitumorali personalizzati.
"La maggior parte delle cellule genera e secernono vescicole extracellulari, "dice Siyang Zheng, professore associato di ingegneria biomedica e ingegneria elettrica. "Ma sono difficili da studiare per noi. Sono particelle sub-micrometriche, quindi abbiamo davvero bisogno di un microscopio elettronico per vederli. Ci sono molte sfide tecniche nell'isolamento dei veicoli elettrici su scala nanometrica che stiamo cercando di superare per la diagnostica del cancro al punto di cura".
In una volta, i ricercatori credevano che i veicoli elettrici fossero poco più che sacchi della spazzatura lanciati dalle cellule. Più recentemente, sono arrivati a capire che questi minuscoli sacchi di grasso, i lipidi, contengono DNA a doppio filamento, RNA e proteine che sono responsabili della comunicazione tra le cellule e possono trasportare marcatori per le loro cellule di origine, comprese le cellule tumorali. In caso di cancro, almeno una funzione per i veicoli elettrici è quella di preparare il tessuto distante per le metastasi.
La sfida iniziale del team era sviluppare un metodo per isolare e purificare i veicoli elettrici in campioni di sangue che contengono più altri componenti. L'uso della biopsia liquida, o analisi del sangue, per la diagnosi del cancro è uno sviluppo recente che offre vantaggi rispetto alla biopsia tradizionale, che richiede la rimozione di un tumore o l'inserimento di un ago in un tumore per estrarre le cellule cancerose. Per il cancro ai polmoni o al cervello, tali tecniche invasive sono difficili, costoso e può essere doloroso.
"Le tecniche non invasive come la biopsia liquida sono preferibili non solo per il rilevamento e la scoperta, ma anche per monitorare il trattamento, "dice Chandra Belani, professore di medicina e vicedirettore del Cancer Institute, Penn State College of Medicine, e collaboratore clinico allo studio.
"Abbiamo inventato un sistema di due micro/nano materiali, " Zheng dice. "Uno è una sonda di etichettatura con due code lipidiche che si inseriscono spontaneamente nella superficie lipidica della vescicola extracellulare. All'altra estremità della sonda abbiamo una molecola di biotina che sarà riconosciuta da una molecola di avidina che abbiamo attaccato a una perla magnetica".
Le sfere magnetiche modificate in superficie hanno un diametro compreso tra 400 e 500 nanometri e le sonde di etichettatura sono dell'ordine di 10 nanometri. Quando il sistema è ottimizzato, i ricercatori possono isolare i veicoli elettrici dai campioni di plasma sanguigno in circa 15 minuti. Gli EV e il loro contenuto possono quindi essere analizzati in un ambiente di laboratorio o inviati a un laboratorio diagnostico commerciale per caratterizzare il DNA, RNA e proteine.
In un documento pubblicato oggi online, 10 aprile e come articolo di copertina di aprile in Ingegneria biomedica della natura , l'autore principale Yuan Wan, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zheng, descrive l'utilizzo delle nanosonde per catturare veicoli elettrici dal plasma sanguigno di 19 pazienti con carcinoma polmonare non a piccole cellule.
"Aiuto con questo nuovo approccio, abbiamo isolato con successo EV da 19 pazienti con carcinoma polmonare avanzato e identificato mutazioni del DNA che possono guidare la terapia di precisione invece della chemioterapia di routine, " Dice Wan. "Dalla raccolta del sangue all'ottenimento di DNA derivato da EV, l'intera procedura può essere completata entro un'ora. Richiede solo un magnete e una comune centrifuga da banco. Rispetto ai metodi prevalenti, il sistema di nanosonda faciliterebbe notevolmente l'esame clinico di laboratorio."
Poiché la tecnologia richiede solo materiali e un magnete esterno, è relativamente poco costoso e veloce rispetto all'attuale gold standard di separazione, chiamata ultracentrifugazione, che richiede attrezzature costose e richiede ore per essere completato.
Una volta convalidato in uno studio più ampio, Zheng e Belani credono che questa tecnica possa essere applicata non solo al cancro del polmone ma anche alla maggior parte se non a tutti i tumori solidi, responsabili dell'80-90% dei decessi per cancro.
"Il sequenziamento del DNA isolato dagli EV servirà come uno strumento promettente per tracciare l'evoluzione del cancro e monitorare la dinamica del tumore con l'obiettivo finale di migliorare la sopravvivenza del cancro, " conclude Belani.
