Un test delle urine semplice e sensibile sviluppato dagli ingegneri dell'Imperial e del MIT ha prodotto un cambiamento di colore nelle urine per segnalare la crescita di tumori nei topi.

Gli strumenti che rilevano il cancro nelle sue fasi iniziali possono aumentare la sopravvivenza dei pazienti e la qualità della vita. Però, gli approcci allo screening del cancro spesso richiedono attrezzature costose e viaggi in clinica, che potrebbe non essere fattibile nelle aree rurali o in via di sviluppo con poche infrastrutture mediche.

Il campo emergente della diagnostica point-of-care sta quindi lavorando su soluzioni più economiche, Più veloce, e test più facili da usare. Una coppia internazionale di laboratori di ingegneria sta sostenendo questo approccio e ha sviluppato uno strumento che cambia il colore dell'urina di topo quando il cancro del colon, noto anche come cancro intestinale, è presente.

I risultati sono pubblicati in Nanotecnologia della natura .

La tecnologia in fase iniziale, sviluppato da team guidati dalla Professoressa Molly Stevens dell'Imperial e dalla Professoressa Sangeeta Bhatia del MIT, funziona iniettando nanosensori nei topi, che vengono tagliati da enzimi rilasciati da tumori noti come proteasi.

Quando i nanosensori vengono scomposti dalle proteasi, passano attraverso il rene, e può essere visto ad occhio nudo dopo un test delle urine che produce un cambiamento di colore blu.

I ricercatori hanno applicato questa tecnologia a topi con cancro al colon, e ha scoperto che l'urina di topi portatori di tumore diventa blu brillante, rispetto a campioni prelevati da topi sani.

Professor Stevens, dei Dipartimenti di Materiali e Bioingegneria dell'Imperial, ha dichiarato:"Sfruttando questa reazione chimica che produce un cambiamento di colore, questo test può essere somministrato senza la necessità di strumenti di laboratorio costosi e difficili da usare.

"La semplice lettura potrebbe potenzialmente essere catturata da un'immagine dello smartphone e trasmessa agli operatori sanitari remoti per connettere i pazienti al trattamento".

Segnali di rilevamento

Quando i tumori crescono e si diffondono, spesso producono segnali biologici noti come biomarcatori che i medici usano sia per rilevare che per monitorare la malattia.

Una famiglia di enzimi tumorali noti come metalloproteinasi di matrice (MMP) aiuta a promuovere la crescita e la diffusione dei tumori "masticando" gli scaffold tissutali che normalmente mantengono le cellule in posizione.

Molti tipi di cancro, compresi i tumori del colon, produrre alti livelli di diversi enzimi MMP, incluso uno chiamato MMP9.

In questo studio, il team dell'Imperial-MIT ha sviluppato nanosensori in cui nanocluster d'oro ultra piccoli (AuNC) sono stati collegati a un vettore proteico chiamato neutrovidina, attraverso linker che sono interrotti da MMP9s

Per sviluppare il test delle urine che cambia colore, i ricercatori hanno utilizzato due proprietà AuNC:la loro molto piccola ( <2 nanometri) dimensione, e la loro capacità di causare un cambiamento di colore blu se trattati con un substrato chimico e perossido di idrogeno.

I ricercatori hanno progettato i complessi AuNC-proteina da smontare dopo essere stati tagliati dalle MMP nell'ambiente tumorale o nel sangue. Quando rotto a parte, gli AuNC rilasciati viaggiano attraverso il sangue ai reni, dove sono abbastanza piccoli da essere filtrati attraverso e nell'urina.

Nei topi sani senza alti livelli di MMP, i complessi rimangono intatti, e sono troppo grandi per passare nelle urine. Se gli AuNC sono stati concentrati nelle urine, un test chimico produrrà un cambiamento di colore blu visibile ad occhio nudo.

Per questo studio, i ricercatori hanno sviluppato sensori che vengono separati da particolari MMP e li hanno testati sui topi. I ricercatori hanno dimostrato che il loro test di cambiamento di colore potrebbe rilevare con precisione quali campioni di urina provenivano da topi con tumori del colon in uno studio su 28 topi iniettati con i sensori, dove 14 topi erano sani e 14 avevano tumori del colon.

Entro mezz'ora dal trattamento chimico, solo l'urina di topi con tumori del colon aveva un forte colore blu. Al contrario, l'urina dei topi di controllo sani non ha mostrato alcun cambiamento di colore.

Il team ha anche progettato le superfici AuNC per non essere viste dal sistema immunitario per prevenire reazioni immunitarie o effetti collaterali tossici, e per evitare che abbondanti proteine ​​sieriche vi si attacchino, il che renderebbe i nanosensori troppo grandi per essere filtrati dai reni.

Durante un follow-up di quattro settimane dopo la somministrazione del nanosensore, i topi non hanno mostrato segni di effetti collaterali, e non c'erano prove che il complesso proteina-sensore o AuNCs liberi rimanessero nei corpi dei topi.

Co-primo autore Dr. Colleen Loynachan, del Dipartimento dei Materiali dell'Imperial, ha dichiarato:"Gli AuNC sono simili ai materiali già utilizzati nella clinica per l'imaging dei tumori, ma qui stiamo sfruttando le loro proprietà uniche per darci ulteriori informazioni sulla malattia. Però, ci sono ancora molte ottimizzazioni e test necessari prima che la tecnologia possa andare oltre il laboratorio."

Diagnostica accessibile

Prossimo, il team lavorerà per aumentare la specificità e la sensibilità dei sensori testandoli in più modelli animali per studiare l'accuratezza e la sicurezza diagnostiche.

La co-autrice Ava Soleimany, del MIT, ha dichiarato:"Le proteasi svolgono ruoli funzionali in una serie di malattie come il cancro e le malattie infettive. Progettando versioni dei nostri sensori che possono essere tagliate da diverse proteasi, potremmo applicare questo test basato sul colore per rilevare una varietà di condizioni".

I ricercatori stanno ora lavorando a una formulazione più facile da somministrare, e identificare modi per rendere i sensori sensibili a più biomarcatori al fine di distinguere tra tumori e altre malattie.