Die Zahl der Todesfälle durch Lungenkrebs ist in den Industrieländern aufgrund der Früherkennung zurückgegangen, was eine rechtzeitige Heilungsbehandlung ermöglicht. Allerdings führt Lungenkrebs in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMICs) immer noch zu hohen Sterblichkeitsraten, wo ein Bedarf an neuen Diagnoseinstrumenten besteht.
Eine kürzlich in Science Advances veröffentlichte Studie beschreibt eine nicht-invasive, kostengünstige Plattform zur Erkennung von Lungenkrebs namens PATROL und demonstriert deren Leistung und mögliche Auswirkungen.
Studie: Inhalierbare Point-of-Care-Urindiagnostikplattform. Bildquelle: mi_viri/Shutterstock.com
Hintergrund
Die Niedrigdosis-Computertomographie (LDCT) ist die Plattform der Wahl für das Lungenkrebs-Screening im Frühstadium, wenn bei Personen mit hohem Risiko für die Erkrankung keine Symptome vorliegen. Seine Verfügbarkeit und Verwendung haben in klinischen Studien dazu geführt, dass die Zahl der Todesfälle durch Lungenkrebs um bis zu ein Viertel gesenkt wurde.
Dabei handelt es sich jedoch um eine hochentwickelte und personalintensive Plattform mit geringer Durchdringung bei Bevölkerungsgruppen mit niedrigem oder mittlerem Einkommen.
Flüssigbiopsien sind eine weitere vielversprechende Technologie, die niedrige Konzentrationen krebsassoziierter Biomarker in Körperflüssigkeiten erkennt. Diese erfordern auch umfangreiche Ressourcen, was ihre Anwendbarkeit auf ärmere Bevölkerungsgruppen einschränkt.
Ein ebenso schwerwiegender Fehler bei der weit verbreiteten Verwendung von Flüssigbiopsien besteht darin, dass sie von Biomarkern im Blutkreislauf abhängen, obwohl viele davon in der Mikroumgebung des Tumors zu finden sind.
Was hat die Studie ergeben?
Die aktuelle Plattform ist PATROL, die Abkürzung für Point-of-Care-Aerosolisierbare Nanosensoren mit tumorresponsiven Oligonukleotid-Barcodes.
Es basiert auf einer Reihe aktivitätsbasierter Nanosensoren (ABNs), die in einer inhalierbaren Anordnung mikroskaliger Aerosole angeordnet sind, die auf Inhalatoren oder Vernebler geladen werden können. Jeder Sensor trägt einen DNA-Barcode.
Bei Lungenkrebs sind bestimmte Proteasen hochreguliert. Diese spalten die ABNs, wodurch DNA-Reportermoleküle freigesetzt werden, die schließlich über den Urin aus dem Körper gelangen. Durch Chromatographie/Spektrometrie wurde gezeigt, dass der Urin die interessierenden Peptide enthielt.
Im nächsten Schritt wechselten die Forscher zur Point-of-Care-Erkennung (POC), um den Test an ressourcenarme Umgebungen anzupassen. Sie entwickelten ein Urinanalysetool in Form eines Multiplex-Lateral-Flow-Assays (LFA) auf Papierbasis.
Der Test wird durch Inhalation des ABN-Biomarker-Arrays und anschließende LFA des Urins durchgeführt. Die ABN-Signatur ist innerhalb von 20 Minuten verfügbar und der Test wird bei Raumtemperatur durchgeführt.
Die ABN-Partikel wurden so umgestaltet, dass sie sich schnell von nanoskaligen zu aerosolisierten Partikeln mit einer Größe von 1–3 μm umwandeln. Kleinere Partikel werden meist ausgeatmet, während größere Partikel die oberen Atemwege nicht passieren.
Anschließend nutzten sie eine große, an diese Plattform angepasste ABN-Bibliothek, um einen Satz von vier Markern zu bilden, fügten DNA-Barcodes hinzu und multiplexten sie mit Raumtemperatur-LFAs.
Sie ermittelten die Protease-Substratkonzentration, das Luftstrommuster und den Abgabemodus, die bei minimalem Hintergrundrauschen die besten Ergebnisse liefern würden.
Mithilfe eines Maus-Lungenkrebsmodells zeigten die Forscher, dass PATROL eine hohe Sensitivität und Spezifität für Lungenadenokarzinome im Frühstadium aufweist.
Allerdings war die Gesamtsignifikanz der Fläche unter der Kurve (AUC) für die Vorhersagekraft der Sonden eine Größenordnung geringer als bei der Massenspektrometrie. Dennoch lag die Sensitivität bei 75 %, ähnlich wie bei der Mikro-CT, mit 100 % Sensitivität.
Was sind die Auswirkungen?
„Insgesamt birgt PATROL ein großes klinisches Potenzial, nicht nur eine empfindliche und spezifische Lungenkrebserkennung in frühen Stadien zu erreichen, sondern auch einen einfachen Einsatz in ressourcenbeschränkten Umgebungen zu ermöglichen.“
Dieses hochgradig modulare Design nutzt ein selbstverabreichbares Format, stabilisierte Oligonukleotid-Barcodes, die sich leicht auf Papierstreifen immobilisieren lassen, und Multiplex-Tests zur Erfassung der Peptid-Biomarker, die auf eine gestörte Proteolyse bei Lungenkrebs im Frühstadium hinweisen.
Vernebelung und Inhalation werden seit Jahrzehnten zur Behandlung chronischer Lungenerkrankungen eingesetzt. Sie sind so konzipiert, dass sie die gewünschten Partikel in die Lunge befördern, ohne dass sie im Körper abgebaut werden.
Dies wird hier ausgenutzt, um sicherzustellen, dass die diagnostischen Partikel in die Lunge gelangen, insbesondere in die peripheren Regionen, einschließlich der Bronchien, Bronchiolen und Alveolen, wo Lungenkrebs am häufigsten auftritt.
PATROL liefert nicht nur verstärkte Signale, sondern reduziert auch das Rauschen und erhöht so die Spezifität der Erkennung von Lungenkrebs im Frühstadium.
Durch Änderung der Formulierungen kann die Ablagerungsstelle so angepasst werden, dass sie tiefer oder oberflächlicher im Tracheobronchialbaum liegt.
Die Verwendung von LFA auf Basis synthetischer DNA-Barcodes, die durch direkte Hybridisierung auf Papierstreifen erkannt werden, macht eine Amplifikation wie bei der Polymerase-Kettenreaktion oder CRISP-R-Methoden überflüssig und ermöglicht schnelle und multiplexierte Tests mit Ergebnissen innerhalb von 20 Minuten.
Weitere Forschung könnte dazu beitragen, die ABN-Bibliothek anzupassen, um die Plattform für andere Lungenkrebsarten zu optimieren und anzupassen. Darüber hinaus ist eine Ausweitung auf chronische Lungenerkrankungen und -infektionen möglich.
„Wir stellen uns vor, dass wir durch die Befreiung des Krankheitsscreenings aus seinem derzeitigen ressourcenintensiven Umfeld praktikable Überwachungstests ermöglichen könnten, die eine Krankheit identifizieren würden, wenn sie noch leicht zu behandeln ist.“
