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Engenheiros do MIT projetaram um novo sensor de nanopartículas que pode permitir o diagnóstico precoce de câncer com um simples teste de urina. Os sensores, que podem detectar muitas proteínas cancerígenas diferentes, também podem ser usados para distinguir o tipo de tumor ou como ele está respondendo ao tratamento.
As nanopartículas são projetadas para que, ao encontrarem um tumor, se desprendam de sequências curtas de DNA que são excretadas na urina. A análise desses “códigos de barras” de DNA pode revelar características distintivas do tumor de um determinado paciente. Os pesquisadores projetaram seu teste para que pudesse ser realizado usando uma tira de papel, semelhante a um teste caseiro da Covid, que eles esperam que possa torná-lo acessível ao maior número possível de pacientes.
“Estamos tentando inovar em um contexto de disponibilização de tecnologia para ambientes de baixo e médio recurso. Colocar esse diagnóstico no papel faz parte do nosso objetivo de democratizar o diagnóstico e criar tecnologias baratas que possam dar uma resposta rápida no ponto de cuidado”, diz Sangeeta Bhatia, professora John e Dorothy Wilson de Ciências e Tecnologia da Saúde e de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no MIT e membro do Koch Institute for Integrative Cancer Research e do Institute for Medical Engineering and Science.
Em testes em camundongos, os pesquisadores mostraram que poderiam usar os sensores para detectar a atividade de cinco diferentes enzimas que se expressam nos tumores. Eles também mostraram que sua abordagem poderia ser ampliada para distinguir pelo menos 46 códigos de barras de DNA diferentes em uma única amostra, usando um dispositivo microfluídico para analisar as amostras.
Bhatia é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Natureza Nanotecnologia. Liangliang Hao, um ex-cientista pesquisador do MIT que agora é professor assistente de engenharia biomédica na Universidade de Boston, é o principal autor do estudo.
códigos de barras de DNA
Por vários anos, o laboratório de Bhatia vem desenvolvendo “biomarcadores sintéticos” que podem ser usados para diagnosticar o câncer. Este trabalho baseia-se no conceito de detecção de biomarcadores de câncer, como proteínas ou células tumorais circulantes, na amostra de sangue de um paciente. Esses biomarcadores de ocorrência natural são tão raros que é quase impossível encontrá-los, especialmente em um estágio inicial, mas biomarcadores sintéticos podem ser usados para amplificar mudanças em menor escala que ocorrem em pequenos tumores.
Em trabalhos anteriores, Bhatia criou nanopartículas capazes de detectar a atividade de enzimas chamadas proteases, que ajudam as células cancerígenas a escapar de seus locais de origem ou a se instalar em novos, cortando proteínas da matriz extracelular. As nanopartículas são revestidas com peptídeos que são clivados por diferentes proteases e, uma vez liberados na corrente sanguínea, esses peptídeos podem ser concentrados e detectados mais facilmente em uma amostra de urina.
Os biomarcadores de peptídeos originais foram projetados para serem detectados com base em pequenas variações de engenharia em sua massa, usando um espectrômetro de massa. Esse tipo de equipamento pode não estar disponível em locais com poucos recursos, então os pesquisadores começaram a desenvolver sensores que pudessem ser analisados de maneira mais fácil e econômica, usando códigos de barras de DNA que podem ser lidos com a tecnologia CRISPR.
Para que essa abordagem funcionasse, os pesquisadores tiveram que usar uma modificação química chamada fosforotioato para proteger os códigos de barras do repórter de DNA circulante de serem decompostos no sangue. Essa modificação já foi usada para melhorar a estabilidade das vacinas de RNA modernas, permitindo que elas sobrevivam por mais tempo no corpo.
Semelhante aos repórteres de peptídeo, cada código de barras de DNA é anexado a uma nanopartícula por um ligante que pode ser clivado por uma protease específica. Se essa protease estiver presente, a molécula de DNA é liberada e fica livre para circular, terminando na urina. Para este estudo, os pesquisadores usaram dois tipos diferentes de nanopartículas: uma, uma partícula feita de polímeros aprovados pela FDA para uso em humanos, e a outra um “nanocorpo” – um fragmento de anticorpo que pode ser projetado para se acumular em um local de tumor.
Uma vez que os sensores são secretados na urina, a amostra pode ser analisada usando uma tira de papel que reconhece um repórter que é ativado por uma enzima CRISPR chamada Cas12a. Quando um determinado código de barras de DNA está presente na amostra, Cas12a amplifica o sinal para que possa ser visto como uma faixa escura em um teste de papel.
As partículas podem ser projetadas para transportar muitos códigos de barras de DNA diferentes, cada um dos quais detecta um tipo diferente de atividade de protease, o que permite a detecção “multiplexada”. O uso de um número maior de sensores aumenta tanto a sensibilidade quanto a especificidade, permitindo que o teste distinga mais facilmente entre os tipos de tumor.
Assinaturas de doenças
Em testes em camundongos, os pesquisadores mostraram que um painel de cinco códigos de barras de DNA poderia distinguir com precisão os tumores que surgiram nos pulmões dos tumores formados por células de câncer colorretal que haviam metástase nos pulmões.
“Nosso objetivo aqui é criar assinaturas de doenças e ver se podemos usar esses painéis com código de barras não apenas para ler uma doença, mas também para classificar uma doença ou distinguir diferentes tipos de câncer”, diz Hao.
Para uso em humanos, os pesquisadores esperam que precisem usar mais de cinco códigos de barras porque há muita variedade entre os tumores dos pacientes. Para ajudar a atingir esse objetivo, eles trabalharam com pesquisadores do Broad Institute of MIT e Harvard liderados pelo professor da Universidade de Harvard Pardis Sabeti, para criar um chip microfluídico que pode ser usado para ler até 46 códigos de barras de DNA diferentes de uma amostra.
Esse tipo de teste pode ser usado não apenas para detectar o câncer, mas também para medir a resposta do tumor de um paciente ao tratamento e se houve recorrência após o tratamento. Os pesquisadores agora estão trabalhando no desenvolvimento das partículas com o objetivo de testá-las em humanos. A Glympse Bio, uma empresa co-fundada por Bhatia, realizou ensaios clínicos de fase 1 de uma versão anterior das partículas de diagnóstico urinário e descobriu que elas são seguras em pacientes.
Além de Bhatia, Hao e Sabeti, os coautores do estudo incluem Renee T. Zhao, Nicole L. Welch, Edward Kah Wei Tan, Qian Zhong, Nour Saida Harzallah, Chayanon Ngambenjawong, Henry Ko e Heather E. Fleming.
A pesquisa foi financiada pelo Koch Institute Support (core) Grant do National Cancer Institute, um Core Center Grant do National Institute of Environmental Health Sciences, o Marble Center for Cancer Nanomedicina do Koch Institute, o Koch Institute Frontier Research Program, o Virginia and DK Ludwig Fund for Cancer Research, e um Pathway to Independence Award do National Cancer Institute.
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