Sensores inaláveis podem permitir a detecção precoce do câncer de pulmão

Usando uma nova tecnologia desenvolvida no MIT, diagnosticar o câncer¹ de pulmão² pode se tornar tão fácil quanto inalar sensores de nanopartículas e depois fazer um teste de urina³ que revela se um tumor⁴ está presente, tornando o rastreio do câncer¹ de pulmão² mais acessível em todo o mundo.

O novo diagnóstico⁵ é baseado em nanosensores que podem ser administrados por um inalador ou nebulizador. Se os sensores encontrarem proteínas⁶ ligadas ao câncer¹ nos pulmões⁷, produzem um sinal⁸ que se acumula na urina³, onde pode ser detectado com uma simples tira de teste de papel.

Esta abordagem poderia potencialmente substituir ou complementar o atual padrão ouro para o diagnóstico⁵ de câncer¹ de pulmão², a tomografia computadorizada⁹ (TC) de baixa dose. Isso poderia ter um impacto especialmente significativo em países de baixa e média renda que não têm ampla disponibilidade de tomógrafos computadorizados, dizem os pesquisadores.

“Em todo o mundo, o câncer¹ irá se tornar cada vez mais prevalente em países de baixa e média renda. A epidemiologia do câncer¹ de pulmão² a nível mundial é que ele é impulsionado pela poluição e pelo tabagismo, por isso sabemos que estes são ambientes onde a acessibilidade a este tipo de tecnologia pode ter um grande impacto” afirma Sangeeta Bhatia Professor de Ciências da Saúde¹⁰ e Tecnologia e de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no MIT, e membro do Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer¹ do MIT e do Instituto de Engenharia Médica e Ciência.

Bhatia é o autor sênior¹¹ do artigo, que aparece na revista Science Advances. Qian Zhong, um cientista pesquisador do MIT, e Edward Tan, um ex-pós-doutorando do MIT, são os principais autores do estudo.

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Para ajudar a diagnosticar o câncer¹ de pulmão² o mais cedo possível, a Força-Tarefa de Serviços Preventivos dos EUA recomenda que fumantes inveterados com mais de 50 anos sejam submetidos a tomografias computadorizadas anuais. No entanto, nem todos neste grupo-alvo recebem estes exames, e a elevada taxa de falsos positivos dos exames pode levar a testes invasivos e desnecessários.

Bhatia passou a última década desenvolvendo nanosensores para uso no diagnóstico⁵ de câncer¹ e outras doenças e, neste estudo, ela e seus colegas exploraram a possibilidade de usá-los como uma alternativa mais acessível ao rastreamento por tomografia computadorizada⁹ para câncer¹ de pulmão².

Esses sensores consistem em nanopartículas de polímero revestidas com um reportador, como um código de barras de DNA, que é separado da partícula quando o sensor encontra enzimas chamadas proteases, que costumam ser hiperativas em tumores. Esses reportadores eventualmente se acumulam na urina³ e são excretados do corpo.

Versões anteriores dos sensores, que tinham como alvo outros locais de câncer¹, como fígado¹² e ovários¹³, foram projetadas para serem administradas por via intravenosa. Para o diagnóstico⁵ do câncer¹ de pulmão², os pesquisadores queriam criar uma versão que pudesse ser inalada, o que poderia facilitar a implantação em ambientes com menos recursos.

“Quando desenvolvemos esta tecnologia, o nosso objetivo era fornecer um método que pudesse detectar o câncer¹ com elevada especificidade e sensibilidade, e também diminuir o limiar de acessibilidade, para que, esperançosamente, possamos melhorar a disparidade de recursos e a desigualdade na detecção precoce do câncer¹ de pulmão²,” Zhong diz.

Para conseguir isso, os pesquisadores criaram duas formulações de suas partículas: uma solução que pode ser aerossolizada e administrada com um nebulizador, e um pó seco que pode ser administrado por meio de um inalador.

Assim que as partículas chegam aos pulmões⁷, elas são absorvidas pelo tecido¹⁴, onde encontram quaisquer proteases que possam estar presentes. As células¹⁵ humanas podem expressar centenas de proteases diferentes, e algumas delas são hiperativas em tumores, onde ajudam as células¹⁵ cancerígenas a escapar dos seus locais originais, cortando através de proteínas⁶ da matriz extracelular. Estas proteases cancerígenas separam os códigos de barras do DNA dos sensores, permitindo que os códigos de barras circulem na corrente sanguínea até serem excretados na urina³.

Nas versões anteriores desta tecnologia, os pesquisadores usaram espectrometria de massa para analisar a amostra de urina³ e detectar códigos de barras de DNA. No entanto, a espectrometria de massa requer equipamentos que podem não estar disponíveis em áreas com poucos recursos, por isso, para esta versão, os pesquisadores criaram um ensaio de fluxo lateral, que permite a detecção dos códigos de barras por meio de uma tira de teste de papel.

Os pesquisadores projetaram a tira para detectar até quatro códigos de barras de DNA diferentes, cada um indicando a presença de uma protease diferente. Não é necessário pré-tratamento ou processamento da amostra de urina³ e os resultados podem ser lidos cerca de 20 minutos após a obtenção da amostra.

“Estávamos realmente pressionando este ensaio para que estivesse disponível no local de atendimento em um ambiente com poucos recursos, então a ideia era não fazer nenhum processamento de amostra, não fazer nenhuma amplificação, apenas para poder colocar a amostra diretamente no papel e lê-la em 20 minutos”, diz Bhatia.

Os pesquisadores testaram seu sistema de diagnóstico⁵ em camundongos geneticamente modificados para desenvolver tumores pulmonares semelhantes aos observados em humanos. Os sensores foram administrados 7,5 semanas após o início da formação dos tumores, um momento que provavelmente se correlacionaria com o estágio 1 ou 2 do câncer¹ em humanos.

No seu primeiro conjunto de experiências em camundongos, os pesquisadores mediram os níveis de 20 sensores diferentes concebidos para detectar diferentes proteases. Usando um algoritmo de aprendizado de máquina para analisar esses resultados, os pesquisadores identificaram uma combinação de apenas quatro sensores que deveriam fornecer resultados de diagnóstico⁵ precisos. Eles então testaram essa combinação no modelo de camundongo e descobriram que ela poderia detectar com precisão tumores pulmonares em estágio inicial.

Para utilização em humanos, é possível que sejam necessários mais sensores para fazer um diagnóstico⁵ preciso, mas isso poderia ser conseguido através da utilização de múltiplas tiras de papel, cada uma das quais detecta quatro códigos de barras de DNA diferentes, dizem os pesquisadores.

Eles agora planejam analisar amostras de biópsias¹⁶ humanas para ver se os painéis de sensores que estão usando também funcionariam para detectar cânceres humanos. A longo prazo, esperam realizar ensaios clínicos¹⁷ em pacientes humanos. Uma empresa chamada Sunbird Bio já realizou testes de fase 1 com um sensor semelhante desenvolvido pelo laboratório de Bhatia, para uso no diagnóstico⁵ de câncer¹ de fígado¹² e uma forma de hepatite¹⁸ conhecida como esteato-hepatite¹⁸ não alcoólica (EHNA).

Em partes do mundo onde o acesso à tomografia computadorizada⁹ é limitado, esta tecnologia poderá oferecer uma melhoria dramática no rastreio do câncer¹ de pulmão², especialmente porque os resultados podem ser obtidos durante uma única consulta.

“A ideia seria você entrar e obter uma resposta sobre se precisa ou não de um teste de acompanhamento, e poderíamos colocar pacientes com lesões¹⁹ precoces no sistema para que pudessem fazer uma cirurgia curativa ou receber medicamentos que salvam vidas”, Bhatia diz.

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Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

Plataforma de diagnóstico⁵ inalável, urinário, no local de atendimento

Embora o rastreio por tomografia computorizada de baixa dose melhore a sobrevivência²⁰ ao câncer¹ de pulmão² em grupos de risco, a desigualdade permanece no diagnóstico⁵ do câncer¹ de pulmão² devido ao acesso limitado e aos elevados custos da infraestrutura de imagiologia médica.

Projetou-se uma plataforma sem agulhas e sem imagens, denominada PATROL (nanosensores aerossolizáveis no local de atendimento com códigos de barras de oligonucleotídeos responsivos a tumores), para reduzir as disparidades de recursos para a detecção precoce do câncer¹ de pulmão².

PATROL formula um conjunto de nanosensores baseados em atividade (NBAs) com código de barras de DNA em um formato inalável. As proteases associadas ao câncer¹ de pulmão² clivam seletivamente os NBAs, liberando reportadores de DNA sintético que são eventualmente excretados pela urina³.

As assinaturas urinárias de nanosensores com código de barras são quantificadas em 20 minutos à temperatura ambiente usando um ensaio de fluxo lateral multiplexável em papel.

PATROL detecta tumores em estágio inicial em um modelo autóctone²¹ de adenocarcinoma²² pulmonar em camundongos com alta sensibilidade e especificidade. A adaptação da biblioteca de NBAs pode permitir não apenas que a plataforma modular PATROL reduza o limite de recursos para ferramentas de detecção precoce do câncer¹ de pulmão², mas também a detecção rápida de doenças e infecções²³ pulmonares crônicas.

Fontes:
Science Advances, Vol. 10, Nº 1, em 05 de janeiro de 2024.
MIT News, notícia publicada em 05 de janeiro de 2024.