Diagnostyka komórek nowotworowych za pomocą biosensorów bakteryjnych
Rak pozostaje jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie — odpowiada za około 8,2 miliona zgonów każdego roku. W wielu przypadkach śmiertelność nie jest spowodowana pierwotnym nowotworem, ale przerzutami, wywoływanymi przez krążące komórki nowotworowe (CTC), które dostają się do krwiobiegu. CTC są heterogeniczne pod względem fenotypu, a różne subpopulacje w różny sposób przyczyniają się do przerzutów, oporności na terapię i wyników klinicznych. Możliwość ich szczegółowego scharakteryzowania może przekształcić diagnostykę nowotworów i spersonalizowane strategie leczenia. Jednak w przypadku konwencjonalnych metod problemami są niska czułość, ograniczona zdolność multipleksowania i konieczność korzystania z nieporęcznej infrastruktury laboratoryjnej.
Łączenie różnych technologii w jeden system
Celem finansowanego ze środków UE projektu BIOCELLPHE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) było wypełnienie tej luki poprzez opracowanie radykalnie nowego podejścia do profilowania białek poszczególnych CTC. „Naszym zamysłem było przekształcenie sposobu wykrywania określonych białek na powierzchni poszczególnych komórek nowotworowych poprzez połączenie najnowocześniejszych osiągnięć w dziedzinie nanotechnologii, biologii syntetycznej, mikrofluidyki i sztucznej inteligencji (AI) w jedną, łatwą w użyciu platformę diagnostyczną” — wyjaśnia koordynatorka projektu Isabel Pastoriza Santos. Komórki eksprymują wiele białek na swojej powierzchni, które często są wspólne dla różnych typów komórek. Dlatego wykrywanie i identyfikacja CTC w diagnostyce raka wymaga jednoczesnego pomiaru wielu biomarkerów białkowych. Aby wyizolować CTC, konsorcjum opracowało urządzenie typu lab-on-a-chip(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które pasywnie sortuje i wychwytuje kropelki zawierające komórki z próbek krwi obwodowej pacjentów z rakiem. Komórki te są poddawane dalszej analizie molekularnej.
Modyfikowane bakterie jako żywe czujniki
U podstaw koncepcji leżą genetycznie zmodyfikowane szczepy Escherichia coli stworzone do rozpoznawania swoistych biomarkerów białkowych na powierzchni CTC. Szczepy te mają receptory na zewnętrznej błonie, co umożliwia selektywne przyłączanie do zwalidowanych biomarkerów nowotworowych. Swoista adhezja bakterii do białek docelowych na błonie komórkowej wyzwala produkcję aktywnych ramanowsko związków chemicznych, które mogą być wykrywane z ultra wysoką czułością za pomocą powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania ramanowskiego (SERS)(odnośnik otworzy się w nowym oknie), na podstawie ich unikalnych fragmentów spektrum (tzw. „odcisków palców”). W tym celu konsorcjum zaprojektowało szlaki sygnalizacyjne i metaboliczne do wytwarzania różnych związków reporterowych aktywnych ramanowsko, co umożliwia jednoczesne (tj. multipleksowane) wykrywanie wielu białek. Wstępne dane z analiz klinicznych wykazały, że zmodyfikowane bakterie mogą wykrywać i rozróżniać co najmniej trzy różne białka błony komórkowej na CTC. Odkrycia te pokazują, jak ogromny potencjał fenotypowanie multipleksowe może mieć dla rzeczywistych próbek pacjentów.
Lepsze niż najlepsze dostępne rozwiązania
Chociaż pełne połączenie tych technik w jedno pojedyncze urządzenie diagnostyczne pozostaje celem na przyszłość, projekt BIOCELLPHE ustanowił nowe ramy naukowe i technologiczne dla profilowania białek na poziomie pojedynczej komórki. Multidyscyplinarna wiedza konsorcjum w zakresie biologii syntetycznej, nanotechnologii, mikrofluidyki i sztucznej inteligencji umożliwiła postępy, które dotychczas były niemożliwe. Przyszłe kroki obejmują optymalizację, szersze badania walidacji klinicznej oraz eksplorację ścieżek translacyjnych. Koncepcja projektu BIOCELLPHE polegająca na wykorzystaniu zmodyfikowanych bakterii do wykrywania celów pozakomórkowych ma potencjał w rozwoju precyzyjnej onkologii i ogólnie w diagnostyce biomedycznej. „Fundamenty stworzone podczas projektu otwierają drzwi do zastosowań wykraczających daleko poza raka” — podkreśla Pastoriza Santos.
