Ускорение раннего обнаружения заболеваний с помощью нанобиотехнологий

Представьте себе такой сценарий:ежегодные медицинские осмотры дополняются доступным домашним диагностическим чипом, позволяющим регулярно контролировать свое исходное состояние здоровья с помощью простого образца мочи. Хотя внешне вы выглядите здоровым, устройство выявляет колебания в вашем профиле биомаркеров, что указывает на возможное начало развития рака на ранней стадии или наличие вируса.

Диагностические устройства, такие как домашний тест на беременность, существуют с 1970-х годов. Это произвело революцию в способности женщины узнавать, беременна ли она, не дожидаясь приема врача, чтобы подтвердить ее подозрения. Тест основан на обнаружении гормона, хорионического гонадотропина человека, присутствующего в моче. Но может ли обнаружение рака или смертельного вируса на подобном образце и устройстве быть таким же простым и неинвазивным?

Чип IBM Research 2 x 2 см nanoDLD, установленный в микрофлюидном зажиме

За последние пару лет междисциплинарная группа IBM Research под руководством доктора Джошуа Смита, ученого-исследователя и главного изобретателя, и доктора Густаво Столовицки, программного директора IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, изучала эту идею. переоснащение кремниевой технологии и ее использование для разделения частиц нанометрового размера, таких как элементы вирусов и рака.

Ответ лежит на пересечении биологии человека и нанотехнологий. Во-первых, вам понадобится «жидкая биопсия», которую можно получить из образцов мочи или слюны. Затем необходимо отделить крошечные нанометровые биомолекулы для последующего обнаружения болезни, даже если ее присутствие физически невозможно обнаружить. Современные методы разделения требуют дорогостоящего оборудования, биохимической лаборатории и обученных технических специалистов, поэтому регулярные проверки нецелесообразны. Но нанотехнологический подход на основе чипов может предложить простой и доступный вариант, позволяющий врачам потенциально обнаруживать и контролировать заболевание даже на самых ранних стадиях, задолго до проявления физических симптомов и когда прогноз вариантов лечения наиболее благоприятен. Святой Грааль для медицинских работников:лечите людей раньше они хронически болеют.

Большим преимуществом команды является сочетание новейших нанотехнологий и производственных технологий с опытом вычислительной биологии. Эту мощную синергию трудно найти в других исследовательских лабораториях.

Знайте свои биочастицы

Разделение биочастиц ни в коем случае не является новой концепцией, но в своих последних экспериментах команда Смита и Столовицкого первой успешно разделила наноразмерные биомолекулы, в частности экзосомы (везикулы клеточного происхождения, обнаруженные в жидкостях организма, содержащих генетический груз, выпущенный из материнской клетки). диаметром всего 20 нм, что составляет примерно 1/5000 человеческого волоса. В этом масштабе можно разделить множество важных биочастиц, включая вышеупомянутые экзосомы, ДНК, вирусы и белковые комплексы, которые потенциально могут сигнализировать о раннем начале болезненного состояния, существовании вируса вскоре после воздействия или могут быть использованы для отслеживать прогрессирование болезни.

Используя технологию, называемую наноразмерным детерминированным боковым смещением, или nanoDLD, жидкий образец может проходить непрерывным потоком через кремниевый чип, специально разработанный с асимметричным массивом столбов. Этот массив позволяет системе сортировать микроскопический водопад частиц, разделяя частицы по размеру с разрешением до десятков нанометров. Разделение происходит, когда более мелкие частицы движутся зигзагообразным движением в направлении жидкости, в то время как более крупные частицы натыкаются на массив в направлении асимметрии стойки, как водители грузовиков, вынужденные выехать на полосу движения грузовиков на автостраде, позволяя использовать материалы разных размеров быть изолированным для последующего обнаружения или анализа.

«Социальное влияние этого исследования заключается в том, что оно может позволить врачам выявлять рак на ранней стадии… когда есть больше возможностей для излечения», - сказал Столовицкий. «Мы хотели, чтобы это исследование было в области рака, а также в области обнаружения ДНК и вирусов, таких как вирус Зика. Все сводится к одному и тому же:возможность иметь небольшой и доступный диагностический инструмент, который может обнаруживать мельчайшие количества биомаркерных частиц, которые говорят врачам что-то о здоровье человека ».

Масштаб биологии от человека до атомов и новые наноразмерные диапазоны, которые устройство nanoDLD IBM Research может охватить [полная инфографика]

Смит добавил:«Возможность для врачей регулярно проверять биологический профиль человека доступным и неинвазивным способом может открыть новую эру профилактических здравоохранения и углубить наше понимание факторов, способствующих прогрессированию заболевания ».

Использование экзосом в качестве первопроходца в профилактической медицине

В рамках непрерывной разработки этой технологии IBM Research сотрудничает с командой из Mount Sinai Health System во главе с Карлосом Кордон-Кардо, доктором медицины, председателем отделения патологии в системе здравоохранения Mount Sinai и профессором. патологии, генетики и геномных наук, а также онкологических наук в Медицинской школе Икана. Это сотрудничество объединяет опыт Mount Sinai в области рака и патологии, а IBM Research привносит свой опыт в области биоинформатики и свою новейшую технологию разделения на наноразмерных уровнях.

В войне с раком экзосомы все чаще рассматриваются как полезные биомаркеры для диагностики и прогноза злокачественных опухолей. Экзосомы выделяются в легкодоступных жидкостях организма, таких как кровь и моча, и представляют собой ценный биомедицинский инструмент, поскольку они могут выявить происхождение рака.

«Мы поняли, что клетки разговаривают сами с собой, посылая мессенджеров. Некоторые из этих мессенджеров хранятся и передаются внутри различных небольших пузырьков или экзосом. Мы узнали, что внутри этих конвертов можно найти много важной информации, в том числе закодированной белками или даже посланниками нашей собственной клетки в виде фрагментов ДНК-генов и молекул РНК », - сказал Кордон-Кардо.>

Кордон-Кардо мотивирован возможностью использовать информацию, передаваемую в экзосомах, чтобы опередить болезни.

«Сегодня мы не рассматриваем понятие« здравоохранение »в контексте его исчерпывающего определения. Сегодня мы проводим в основном то, что мы можем определить как «уход за больными». Здоровые люди, медицинские работники и общество в целом нуждаются в образовании, чтобы принимать и внедрять «медицинское обслуживание». Мы находим время, чтобы взять нашу машину на ежегодный осмотр. , но не мы сами. Часто это происходит потому, что мы боимся, что что-то может пойти не так. Экзосомы могут помочь в раннем выявлении заболеваний. Задавать вопросы и выяснять, какие сообщения начинают отправляться между органами, чтобы предсказать, что может случиться, - это один из самых интересных новых способов взглянуть на здравоохранение ».

Кордон-Кардо считает, что с технологией IBM nanoDLD эксперты могут более эффективно подслушивать сообщения, передаваемые между клетками и органами, неинвазивным образом. Более регулярный мониторинг этого межклеточного разговора позволит экспертам действовать как виртуальный сопровождающий, внимательно наблюдая, пока не наступит время, когда либо состояние изменится, и пациент не вернется в здоровое состояние, либо позволит врачам решить, что что-то более инвазивное обоснованно необходимо. .

Электронная микрофотография экзосом на поверхности.

«Когда мы опережаем болезнь, мы обычно можем хорошо с ней справиться; но если болезнь впереди, путь обычно намного труднее. Одно из важных достижений, которое мы пытаемся сделать в этом сотрудничестве, - это получение основных оснований для идентификации молекулярных сигнатур, которые могут присутствовать на очень раннем этапе », - сказал он.

Обследование на рак простаты

IBM Research и Mount Sinai планируют протестировать технологию nanoDLD на раке простаты, наиболее распространенном раке у мужчин в США. При раке простаты врачи рекомендуют мужчинам старше 50 ежегодно проходить тест на простатоспецифический антиген (ПСА), взятый из образца крови. Однако повышенный уровень ПСА не обязательно означает, что человек болен или заболеет раком простаты. И наоборот, отсутствие положительного результата теста на ПСА также не препятствует развитию рака простаты.

Есть надежда на поиск специфических, чувствительных биомаркеров, и сегодня экзосомы представляют собой новый рубеж, предлагающий ключи к разгадке, которые могут помочь решить, есть ли у человека рак.

«С экзосомами вы получите представление о том, что обрабатывает раковая клетка. Клетки все время выделяют экзосомы. Если мы их обнаружим, мы сможем увидеть, что находится внутри, не касаясь рака », - сказал Столовицкий.

Сейчас исследования все еще находятся на начальной стадии. Последние научные результаты исследовательской группы IBM были опубликованы сегодня в Nature Nanotechnology *. В рамках следующих шагов команда надеется увеличить объем и пропускную способность того, что устройство может обрабатывать, и спроектировать устройство так, чтобы оно могло разделять биочастицы размером менее 20 нанометров, таким образом перенося их в сферу индивидуальных белков.

Они также планируют подтвердить, что их устройство способно улавливать биомаркеры, которые они ожидают увидеть в экзосомах пациентов с раком простаты, и продолжат работу над созданием прототипа устройства клинического уровня. Прежде чем устройство сможет выйти на рынок, потребуются клинические испытания. Но точно так же, как тест на беременность изменил правила игры для беременных женщин, когда-нибудь в нашем будущем мы сможем использовать простое устройство для оказания медицинской помощи, которое дает нам контрольные признаки нашего здоровья еще до того, как мы заметим какие-либо симптомы.

Сноска:

* Природные нанотехнологии: Наноуровневые массивы бокового смещения для разделения экзосом и коллоидов до 20n, DOI:10.1038 / NNANO.2016.134

Бенджамин Х. Вунш (IBM Research), Джошуа Т. Смит (IBM Research), Стейси М. Гиффорд (IBM Research), Чао Ван (текущая принадлежность:Университет штата Аризона), Маркус Бринк (IBM Research), Роберт Брюс (IBM Research), Роберт Х. Остин (Принстонский университет), Густаво Столовицкий (IBM Research) и Янн Астьер (текущий филиал:Roche Molecular Systems)