麻省理工學院的工程師們設計了一種新的納米粒子傳感器，可以通過一個簡單的尿液測試來實現對癌症的早期診斷。這種傳感器可以檢測許多不同的癌症蛋白質，也可以用來區分腫瘤的類型或它對治療的反應。

這些納米粒子被設計成當它們遇到腫瘤時，它們會脫落短的DNA序列，並排泄在尿液中。分析這些DNA”條形碼”可以揭示出特定病人腫瘤的顯著特徵。研究人員設計了他們的測試，使其可以使用一張紙條進行，類似於在家的Covid測試，他們希望這可以使盡可能多的病人能夠負擔得起。

“我們正試圖在使技術可用於中低資源環境的背景下進行創新。”麻省理工學院約翰和多蘿西-威爾遜健康科學和技術以及電子工程和計算機科學教授、麻省理工學院科赫綜合癌症研究所和醫學工程與科學研究所成員Sangeeta Bhatia說：”將這種診斷方法放在紙上是我們使診斷方法民主化和創造廉價技術的目標的一部分。”

在對小鼠的測試中，研究人員表明，他們可以使用傳感器來檢測在腫瘤中表達的五種不同酶的活性。他們還表明，他們的方法可以擴大到區分單個樣本中的至少46個不同的DNA條形碼，使用一個微流控設備來分析樣本。

Bhatia是該論文的資深作者，該論文於2023年4月24日發表在《自然-納米技術》雜誌上。郝亮亮，一位前麻省理工學院的研究科學家，現在是波士頓大學生物醫學工程的助理教授，是這項研究的主要作者。

幾年來，Bhatia的實驗室一直在開發可用於診斷癌症的”合成生物標誌物”。這項工作建立在檢測癌症生物標誌物的概念之上，如蛋白質或循環腫瘤細胞，在病人的血液樣本中。這些自然發生的生物標誌物非常罕見，幾乎不可能發現它們，尤其是在早期階段，但合成的生物標誌物可以用來放大小腫瘤內發生的較小規模的變化。

在以前的工作中，Bhatia創造了能夠檢測被稱為蛋白酶的酶的活性的納米粒子，這些酶通過切割細胞外基質的蛋白質，幫助癌細胞逃離它們原來的位置，或定居到新的位置。納米顆粒上塗有被不同蛋白酶裂解的肽，一旦這些肽被釋放到血液中，它們就能被濃縮，並更容易在尿液樣本中被檢測到。

最初的多肽生物標記物被設計為基於其質量的小工程變化，使用質譜儀進行檢測。這種設備在資源匱乏的環境中可能無法使用，因此研究人員著手開發可以更容易、更經濟地進行分析的傳感器，使用可以用CRISPR技術讀取的DNA條形碼。

為了使這種方法發揮作用，研究人員必須使用一種稱為硫代磷酸酯的化學修飾，以保護循環DNA報告條碼在血液中被分解。這種修飾已經被用於提高現代RNA疫苗的穩定性，使其在體內存活更長時間。

與肽報告器類似，每個DNA條形碼通過一個可被特定蛋白酶裂解的連接物連接到一個納米粒子上。如果存在這種蛋白酶，DNA分子就會被釋放並自由循環，最終在尿液中結束。在這項研究中，研究人員使用了兩種不同類型的納米顆粒：一種是由美國食品和藥物管理局批准用於人體的聚合物製成的顆粒，另一種是”納米抗體”–一種可以被設計為在腫瘤部位聚集的抗體片段。

一旦傳感器在尿液中分泌出來，就可以用一個紙條對樣本進行分析，該紙條可以識別由一種叫做Cas12a的CRISPR酶激活的報告器。當樣品中存在一個特定的DNA條形碼時，Cas12a會放大信號，這樣就可以在試紙上看到一個深色條。

顆粒可以被設計成攜帶許多不同的DNA條形碼，每個條形碼都能檢測到不同類型的蛋白酶活性，這就可以實現”復用”感應。使用更多的傳感器可以提高靈敏度和特異性，使測試更容易區分腫瘤類型。

在對小鼠的測試中，研究人員表明，由五個DNA條形碼組成的小組能夠準確區分首先出現在肺部的腫瘤和由轉移到肺部的結直腸癌細胞形成的腫瘤。

“我們在這裡的目標是建立疾病特徵，觀察我們是否能使用這些條形碼面板不僅讀出一種疾病，而且還能對一種疾病進行分類或區分不同的癌症類型，”Hao說。

對於人類的使用，研究人員預計他們可能需要使用五個以上的條形碼，因為病人的腫瘤之間有很大的差異。為了幫助實現這一目標，他們與哈佛大學教授Pardis Sabeti領導的麻省理工學院和哈佛大學Broad研究所的研究人員合作，創建了一個微流控芯片，可用於從一個樣本中讀取多達46個不同的DNA條碼。

這種檢測不僅可以用於檢測癌症，還可以用於測量病人的腫瘤對治療的反應程度以及治療後是否復發。研究人員現在正致力於進一步開發這種顆粒，目的是在人體中進行測試。Bhatia共同創辦的Glympse Bio公司已經對早期版本的尿液診斷顆粒進行了第一階段的臨床試驗，並發現它們在病人身上是安全的。