W walce z nowotworem wczesne wykrycie jest kluczowym czynnikiem skutecznego leczenia. Nanotechnologia zapewnia czułość umożliwiającą wykrywanie zewnątrzkomórkowych biomarkerów nowotworowych i komórek nowotworowych. W artykule podsumowano zastosowania nanotechnologii w diagnostyce nowotworów.
Na całym świecie wzrasta śmiertelność i nowotwory. Według szacunków GLOBOCAN 2018 liczba nowych przypadków nowotworów sięgnie 18,1 mln, a zgonów z powodu nowotworów sięgnie 9,6 mln. Szacuje się, że do 2030 roku na raka będzie umierało co roku 30 milionów ludzi. W walce z nowotworem jednym z kluczy do skutecznego leczenia nowotworu jest jego wczesne wykrycie. Wczesne wykrycie nowotworu powoduje znaczne zmniejszenie śmiertelności. Na przykład rak piersi we wczesnych stadiach względny wskaźnik przeżycia 5 lat wynosi prawie 90%. Podczas gdy u pacjentów z przerzutami wskaźnik przeżycia 5-letniego wynosi zaledwie 27%.
Obecnie techniki obrazowania i analizy morfologicznej tkanek (histopatologia) lub komórki (cytologia) pomagają we wczesnym wykrywaniu raka. Najpowszechniej stosowane techniki obrazowania, takie jak prześwietlenia rentgenowskie, rezonans magnetyczny (MRI), tomografia komputerowa (CT), endoskopia i ultradźwięki, mogą wykryć raka jedynie w przypadku widocznych zmian w tkance.
W tym czasie mogło dojść do wzrostu liczby tysięcy komórek nowotworowych, a nawet do powstania przerzutów. Ponadto obecne techniki obrazowania nie pozwalają na odróżnienie zmian łagodnych od złośliwych. Ponadto cytologii i histopatologii nie można skutecznie i niezależnie stosować do diagnozowania raka we wczesnym stadium. Dlatego rozwój technologii umożliwiających wykrywanie nowotworu we wczesnych stadiach (przed przerzutami) stanowi duże wyzwanie.
Chociaż nanotechnologia nie została jeszcze zastosowana klinicznie do diagnozowania nowotworów, jest ona obecnie dostępna w różnych testach medycznych i monitorach, takich jak wykorzystanie nanocząstek złota w domowych testach ciążowych. Aby zdiagnozować raka, nanocząsteczki wychwytują biomarkery nowotworowe, takie jak białka nowotworowe, krążące DNA nowotworu, krążące komórki nowotworowe i egzosomy.
Główną zaletą nanocząstek w diagnostyce nowotworów jest ich duży stosunek powierzchni do objętości. Dzięki tej właściwości powierzchnie nanocząstek mogą być gęsto pokryte przeciwciałami, małymi cząsteczkami, peptydami, aptamerami i innymi składnikami. Dostarczając różne ligandy wiążące komórkom nowotworowym, można osiągnąć efekty wielowartościowe w celu poprawy specyficzności i czułości testu.
Nanotechnologia do wykrywania zewnątrzkomórkowych biomarkerów raka
Biomarker nowotworowy działa jak mierzalna cząsteczka biologiczna występująca we krwi i innych tkankach lub płynach ustrojowych, takich jak ślina i mocz, wskazując na obecność nowotworu w organizmie. Biomarkerami raka mogą być białka (białka wydzielane lub białka powierzchniowe komórki), węglowodany lub kwasy nukleinowe (krążące DNA nowotworu, miRNA itp.) wydzielane przez organizm lub komórki nowotworowe w przypadku wystąpienia nowotworu.
Pomiar określonych poziomów biomarkerów nowotworowych pozwala na wczesne wykrycie nowotworu lub wznowy nowotworu i pomaga monitorować skuteczność leczenia. Jednakże stosowanie biomarkerów jest ograniczone przez kilka barier, w tym niskie stężenia biomarkerów w płynach ustrojowych, niejednorodność częstotliwości i czasu stosowania biomarkerów u pacjentów. Nanotechnologia zapewnia selektywność i wysoką czułość oraz umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu pomiarów.
Bioczujniki można ulepszyć za pomocą nanocząstek/nanomateriałów, aby zapewnić określone celowanie. Dodatkowo zastosowanie nanocząstek zwiększa stosunek powierzchni do objętości, co sprawia, że biosensory są bardziej czułe na potrzeby specyficznej diagnostyki biomolekularnej. Kropki kwantowe (QD), nanocząstki złota (AuNP) i kropki polimerowe (PD) to trzy popularne sondy nanocząstkowe stosowane w diagnostyce nowotworów.
Wykrywanie białek
FDA zatwierdziła kilka białek do diagnostyki nowotworów, w tym CEA (rak jelita grubego). AFP (rak wątroby), PSA (rak prostaty) i CA-125 (rak jajnika). Specyficzne interakcje z przeciwciałami, fragmentami przeciwciał lub aptamerami mogą pomóc w identyfikacji tych właściwości. Zdarzenie interakcji staje się wówczas mierzalnym sygnałem, który można zmierzyć.
W ostatnich badaniach do wykrywania biomarkerów nowotworowych wykorzystano bioczujniki oparte na QD. Test kanapkowy jest powszechną strategią wykrywania biomarkerów białkowych. Obejmuje wiele składników: biomarker, przeciwciało adsorpcyjne, drugie przeciwciało adsorpcyjne. Oraz przeciwciało wtórne, które wiąże się z przeciwciałem absorpcyjnym. Przeciwciała wtórne można wykryć różnymi metodami, takimi jak barwienie i fluorescencja.
Stosując tę strategię, do identyfikacji dwóch biomarkerów wykorzystano dwa przeciwciała sprzężone z QD przeciwko enolazie specyficznej dla neuronów (NSE) i antygenowi raka embrionalnego (CEA). A granica wykrywalności (LOD) każdego z nich osiągnęła 1,0 ng/ml.
CEA, najpopularniejszy biomarker nowotworowy, jest szeroko stosowany do monitorowania terapii przeciwnowotworowych. Jak również do przewidywania nawrotu nowotworu po operacji u pacjentów z nowotworem w późnym stadium. NSE jest enzymem katalizującym konwersję 2-fosfoglicerynianu do fosfoenolopirogronianu, powiązaną z rakowiakami, drobnokomórkowym rakiem płuc i guzami komórek wysp trzustkowych.
Wykrywanie mikroRNA
mikroRNA jest powiązany z rozpoznaniem raka. Jou AF zgłosił dwuetapową platformę testową do czułej diagnostyki miR-141 (obiecującego biomarkera raka prostaty). W pierwszej fazie platformy testowej wykorzystano QD CdSe / ZnS modyfikowane kwasami nukleinowymi aktywowanymi przez wygaszanie fluorescencji FRET. Który zawierał sekwencję startera telomerazy z sekwencją detekcyjną dla sekwencji miR-141.
Gaśnica FRET wykazała kowalencyjne wiązanie z QD funkcjonalizowanymi kwasem nukleinowanym CdSe/ZnS. Kiedy miR-141 hybrydyzuje z sondą, dupleks jest rozdzielany przez nukleazę specyficzną dla dupleksu (DSN). Zwolnij jednostkę odcinającą i aktywuj fluorescencję QD. To rozszczepienie spowodowało także ekspozycję na sekwencję starterów telomerazy. Platforma pomogła zidentyfikować miR-141 w próbkach surowicy i odróżnić zdrowe osoby od nosicieli raka prostaty.
Wykrywanie metylacji DNA
Niedawno doniesiono, że metylacja genomu (Methylscape) jest wspólną cechą większości nowotworów i dlatego może być powszechnym biomarkerem raka. W jednym z badań autorzy zaobserwowali różnice między genomem nowotworowym a genomem naturalnym na podstawie powinowactwa DNA do złota i rozpuszczalności DNA. Opracowano proste, szybkie, selektywne i czułe, jednoetapowe testy elektrochemiczne lub kolorymetryczne do diagnostyki raka.
Wykrywanie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych
Pęcherzyki pozakomórkowe (EV), jako pęcherzyki krążące (30 nm do 1 μm), pakują informacje molekularne, takie jak miRNA, DNA, białko i mRNA z komórek macierzystych i umożliwiają dostęp do stanu molekularnego komórek nowotworowych. To jest trudne. W niedawnym badaniu autorzy opracowali nową technikę magnetycznej nanoporowatej adsorpcji w celu oddzielenia określonych podzbiorów pęcherzyków zewnątrzkomórkowych (EV) od osocza.
Algorytmy uczenia maszynowego i sekwencjonowania RNA pomogły w identyfikacji biomarkerów miRNA EV. Podejście to zastosowano do mysiego modelu gruczolakoraka przewodu trzustkowego (PDAC) i pomogło zidentyfikować panel biomarkerów składający się z jedenastu EV miRNA. Naukowcy niedawno ogłosili powstanie platformy czujników, która w ciągu kilku minut wykrywa białka na powierzchni egzosomów. Czujnik składa się z nanocząstki złota (AuNP) i złożonego panelu aptamerów opartego na 13 nm AuNP kowalencyjnie nakierowanego na panel 5-aptamerów, który namierza białka powierzchniowe komórki z wysokim powinowactwem i silną specyficznością. Daje, projektuje.
Nanotechnologia do wykrywania komórek nowotworowych
Wykrywanie krążących komórek nowotworowych
Około 90% zgonów z powodu guzów litych przypisuje się przerzutom. Komórka nowotworowa z guza pierwotnego najpierw atakuje otaczającą tkankę podczas rozprzestrzeniania się przerzutów. Następnie przedostaje się do naczyń krwionośnych (wewnątrznaczyniowo) i układu limfatycznego, gdzie przeżywa i przedostaje się wraz z krwią do małych naczyń w tkance. Jest on odsuwany, a następnie wysuwany. Przepływ krwi (wyrzut) i przeżycie w mikrośrodowisku tkanki dystalnej zapewnia odpowiednie mikrośrodowisko zewnętrzne dla makroskopowych guzów wtórnych.
Wczesne wykrycie przerzutowych komórek nowotworowych we krwi, zwanych również krążącymi komórkami nowotworowymi (CTC), może potencjalnie wpłynąć na rokowanie i diagnozę raka. W ramach biopsji płynu CTC były szeroko badane ze względu na ich potencjalne zastosowania.
Diagnoza CTC może pomóc nam zrozumieć organizację molekularną guza w sposób minimalnie inwazyjny. Jednakże CTC wykazują stosunkowo małą częstotliwość i niejednorodność, co stwarza wyzwania techniczne w zakresie separacji i charakteryzacji CTC.
W ostatnich latach badacze skupili się na zastosowaniu nanotechnologii do czułego wykrywania CTC. Technologie te mogą pomóc w identyfikacji komórek i cząsteczek, a zatem mają szeroki zakres zastosowań klinicznych, takich jak wczesna diagnoza i ocena odpowiedzi terapeutycznej oraz rozwoju choroby. W przypadku detekcji CTC nanomateriały mają podstawową zaletę w postaci wysokiego stosunku powierzchni do objętości. Co umożliwia wychwyt wysoce skutecznych ligandów kierujących z możliwością wykrywania określonych cząsteczek na komórkach nowotworowych.
Diagnostyka oparta na mRNA
Oprócz identyfikacji zewnątrzkomórkowych kwasów nukleinowych opracowano również nanocząstki jako czujniki wewnątrzkomórkowych kwasów nukleinowych. Sondy nowych nanocząstek złota modyfikowanych oligonukleotydami hybrydyzowanymi z suplementami znakowanymi fluoroforami można stosować jako czynniki transfekcji i nanocząstki komórkowe do wykrywania mRNA w żywych komórkach.
Nanoflary są przydatne do wykrywania wewnątrzkomórkowego mRNA. W międzyczasie badacze opracowali nanoflary do jednoczesnego wykrywania różnych wewnątrzkomórkowych transkryptów mRNA. W tych badaniach z wieloma nanopłomieniami AuNP funkcjonalizowano za pomocą 2-3 nici rozpoznawanych DNA, a później wygenerowano je za pomocą hybrydowych krótkich, komplementarnych nici reporterowych w postaci nanoflar. W niektórych przypadkach platforma nanopłomieniowa do ilościowego oznaczania wewnątrzkomórkowego RNA w żywych komórkach rozszerza się.
Do badania heterogeniczności komórek czerniaka i nowotworu wykorzystano Smart-Flares. Te inteligentne flary mogłyby ilościowo określić ekspresję genomu na poziomie pojedynczych komórek, poszerzając w ten sposób naszą wiedzę na temat raka. Badanie heterogeniczności komórek nowotworowych w celu identyfikacji nowych biomarkerów ma kluczowe znaczenie dla wczesnego wykrywania raka.
Badania kliniczne zastosowań nanotechnologii w diagnostyce nowotworów
Nanotechnologia była szeroko badana w laboratorium w zakresie diagnostyki raka. Ostatecznym celem tych badań jest jednak zastosowanie kliniczne. Obecnie w badaniach klinicznych znajduje się kilka metod diagnostyki nowotworów opartych na nanotechnologii.
Na przykład badacze MSKCC i Cornell University opracowali hybrydowe nanocząsteczki krzemionki (punkt C) do obrazowania PET pacjentów z przerzutowym czerniakiem lub złośliwymi guzami mózgu. Te nanocząstki, wraz z cyklo- [Arg-Gly-Asp-Tyr] Peptydy (cRGDY) zdolne do selektywnego wiązania się z integrynami można stosować do badania komórek nowotworowych.
Ponadto inny zespół badaczy (również z MSKCC) opracował fluorescencyjne kropki C cRGDY (punkty cRGDY-PEG-Cy5.5-C) do mapowania węzłów chłonnych, które można uwidocznić podczas operacji, w celu wizualizacji zajętych węzłów chłonnych – stosowanych w leczeniu raka . W miarę postępu badań można przewidywać, że metody diagnostyki nowotworów oparte na nanotechnologii będą coraz bardziej zaawansowane w klinikach.
Bezpłatne pobieranie motywów WordPressPobierz bezpłatne motywy WordPress PremiumPobierz zerowe motywy WordPressPobierz najlepsze motywy WordPress do pobrania za darmobezpłatny kurs onlinepobierz oprogramowanie micromaxPobierz bezpłatne motywy WordPress PremiumZG93bmxvYWQgbHluZGEgY291cnNlIGZyZWU=
