麻省理工学院开发可以剖析肿瘤的纳米传感器

2018-05-15

em麻省理工学院的工程师们开发了新的纳米传感器,可以分析肿瘤,并可能洞察他们将如何对特定治疗作出反应。 / em

麻省理工学院的研究人员设计了可以分析肿瘤的纳米传感器,并可能了解他们将如何对某些治疗作出反应。该系统基于称为蛋白酶的酶的水平,癌细胞用于重塑其周围环境。

一旦适应了人类,这种类型的传感器可以用来确定肿瘤有多大的侵略性,并帮助医生选择最好的治疗,Sangeeta Bhatia,约翰和多萝西威尔逊健康科学与技术与电气工程和计算机科学教授和麻省理工学院科赫综合癌症研究所的成员。

“这种方法令人兴奋,因为人们正在开发蛋白酶激活的疗法,”巴蒂亚说。 “理想情况下,您希望能够根据患者的蛋白酶活性对患者进行分层,并确定哪些患者适合这些治疗。”

一旦注射到肿瘤部位,纳米传感器被对健康组织无害的磁场激活。在与目标肿瘤蛋白相互作用并被修饰后,传感器被分泌到尿液中,在不到一个小时的时间内就可以很容易地检测到它们。

Bhatia和Polina Anikeeva是1942年的材料科学与工程副教授,他是这篇论文的高级作者,他出现在“纳米通讯”杂志上。该论文的主要作者是科赫研究所博士后西蒙娜舒尔和研究生贾迪普杜达尼。

加热并释放

肿瘤,尤其是侵袭性肿瘤,通常具有升高的蛋白酶水平。这些酶通过切割组成细胞外基质的蛋白质来帮助肿瘤扩散,所述蛋白质通常围绕细胞并将它们保持在适当位置。

2014年,Bhatia及其同事报道使用纳米颗粒与一种称为基质金属蛋白酶(MMPs)的蛋白酶相互作用来诊断癌症。在那项研究中,研究人员提供了纳米粒子,这些纳米粒子携带着肽或短的蛋白质片段,旨在被MMP切割。如果存在MMPs,数百个切割的肽将被排泄到尿液中,在那里它们可以用类似于妊娠试验的简单纸试验来检测。

在这项新研究中,研究人员想调整传感器,以便他们能够在已知位置报告肿瘤的特征。要做到这一点,他们需要确保传感器只产生来自目标器官的信号,不受可能在血流中产生的背景信号的影响。他们首先设计的传感器一旦到达目标就可以用光启动。这需要使用紫外线,但是,紫外线不能穿透组织。

“我们开始思考我们可能使用哪种能量,能够进一步渗透到体内,”巴蒂亚说,他也是麻省理工学院医学工程和科学研究所的成员。

为了达到这个目标,Bhatia与Anikeeva合作,他擅长利用磁场远程激活材料。研究人员决定封装Bhatia的蛋白酶感应纳米粒子以及暴露于交变磁场时加热的磁性粒子。该场由一个小磁线圈产生,该线圈每秒钟改变极性大约50万次。

封装颗粒的热敏材料随着磁性颗粒的加热而分解,使得蛋白酶传感器被释放。但是,这些颗粒不会产生足够的热量来损坏附近的组织。

“由于这些蛋白酶也存在于血液和其他器官中,因此检查患者生物体液的肿瘤特异性蛋白酶活性一直是一项挑战,”韩国高等研究院生物和脑工程副教授Ji Ho(Joe)Park说。科学和技术。

“这项工作的优势是具有时空可控性的磁热响应蛋白酶纳米传感器,”Park说,他没有参与这项研究。 “利用这些纳米传感器,麻省理工学院的研究人员可以通过显着减少脱靶激活来检测更多涉及肿瘤进展的蛋白酶活性。”

选择治疗方法

在一项对小鼠的研究中,研究人员表明,他们可以根据它们产生的蛋白酶的多少,使用这些颗粒正确分析不同类型的结肠肿瘤。

基于蛋白酶的癌症治疗,现在在临床试验中,由靶向肿瘤蛋白但具有阻止它们在到达肿瘤前被激活的“面纱”的抗体组成。面纱被蛋白酶切割,所以这种疗法对于蛋白酶水平高的患者是最有效的。

麻省理工学院的研究小组也在探索使用这种类型的传感器对从其他器官传播到肝脏的癌变病变进行成像。如果手术切除的病灶少于4个,手术切除这种病灶效果最佳,因此测量它们可以帮助医生选择最佳治疗方法。

Bhatia说这种类型的传感器也可以适用于其他肿瘤,因为磁场可以深入人体。这种方法也可以扩展到基于检测其他种类酶(包括切割糖链或脂质的那些酶)的诊断。

该研究部分由路德维希分子肿瘤中心,国立癌症研究所的科赫研究所支持资助和国家环境健康科学研究所的核心中心资助。

出版物:Simone Schuerle等人,“用于体内肿瘤分析的磁性致动蛋白酶传感器”,Nano Letters,2016; DOI:10.1021 / acs.nanolett.6b02670

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton