Un producto de nanoescala de células humanas que fue una vez considerado basura ahora se sabe que desempeña un papel importante en la comunicación intercelular y en muchos procesos de enfermedad, incluyendo metástasis del cáncer.
Los nanoprobes de lípidos (color azul, verde y amarillo) se insertan espontáneamente en la bicapa lipídica de tres vesículas extracelulares. El contenido de carga de las vesículas extracelulares incluye proteínas, ADN y ARN. Las vesículas extracelulares marcadas con nanoprobe de lípidos se capturan sobre la superficie de un cordón magnético (negro, fondo) a través de la interacción con moléculas de avidina conjugadas (rojo). El aislamiento de los exosomas y su análisis de carga ofrece nuevas oportunidades para una amplia gama de análisis moleculares, incluyendo la detección de mutaciones a partir de plasma sanguíneo de pacientes con cáncer. Crédito: Xin Zou / Penn State
Investigadores de Penn State han desarrollado Nanosondas para poder aislar rápidamente estos marcadores raros, llamados vesículas extracelulares (EVs), para el desarrollo potencial de precisión en diagnosis de cancer y tratamientos personalizados contra el cáncer.
"La mayoría de las células genera y secreta vesículas extracelulares," dice Siyang Zheng, profesor asociado de ingeniería biomédica e ingeniería eléctrica. "Pero son difíciles de estudiar. Son partículas del sub-micrómetras, así que realmente necesitamos un microscopio para verlas. Hay muchos desafíos técnicos en el aislamiento de nanoescala EVs que estamos tratando de superar para el diagnóstico de cáncer".
Al mismo tiempo, los investigadores creían que las EVs eran poco más que bolsas de basura que fueron lanzadas hacia fuera por las células. Más recientemente, han llegado a comprender que estos diminutos sacos de grasa — lípidos — que contienen doble cadena de ADN, ARN y proteínas que son responsables para la comunicación entre las células y pueden llevar marcadores de sus células de origen, incluyendo células tumorales. En el caso de cáncer, por lo menos una función para EVs es preparar el tejido distante para la metástasis.
El desafío inicial del equipo era desarrollar un método para aislar y purificar EVs en muestras de sangre que contienen múltiples componentes. El uso de la biopsia de líquidos o análisis de sangre, para el diagnóstico de cáncer es un desarrollo reciente que ofrece ventajas sobre la biopsia tradicional, que requiere la eliminación de un tumor o pegar una aguja en un tumor para extraer las células cancerosas. Para cáncer de pulmón o cáncer de cerebro, estas técnicas invasivas son difíciles, costosas y pueden ser dolorosas.
"Técnicas no invasivas como la biopsia líquida son preferibles para no sólo la detección y descubrimiento, sinó también para control de tratamiento," dice Chandra Belani, profesora de medicina y directora adjunta del Instituto del cáncer, Penn State College de medicina y colaboradora clínica en el estudio.
"Hemos inventado un sistema de dos materiales micro/nano", dice Zheng. "Uno es una sonda etiquetadora con dos colas de lípidos que se inserta espontáneamente en la superficie de lípidos de la vesícula extracelular. En el otro extremo de la sonda tenemos una molécula de biotina que se reconocerá por una molécula de avidina que hemos unido a una tira magnética".
Las bolas magnéticas de superficie modificada son de 400 a 500 nanómetros de diámetro y las sondas de etiquetado es del orden de 10 nanómetros. Cuando el sistema está optimizado, los investigadores pueden aislar los EVs de muestras de plasma de la sangre en unos 15 minutos. Lo EVs y su contenido entonces pueden ser analizados en un entorno de laboratorio o enviados a un laboratorio comercial de diagnóstico para caracterizar el ADN, ARN y proteínas.
En un artículo publicado el 10 de abril y como artículo de portada de abril en Nature Biomedical Engineering, el autor principal Wan de Yuan, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zheng, describe el uso la Nanosondas para capturar EVs del plasma de sangre de 19 pacientes con cáncer de pulmón de células pequeñas.
"Ayudado con este nuevo enfoque, hemos aislado con éxito los EVs de 19 pacientes con cáncer de pulmón avanzado e identificado mutaciones de ADN que pueden guiar la terapia de precisión en lugar de quimioterapia rutinaria" dice Wan. "De la recogida de sangre a la obtención de ADN derivado de EV, el procedimiento entero se puede terminar dentro de una hora. Sólo requiere un imán y una centrífuga de mesa común. Comparado con métodos prevalentes, el sistema nanoprobe facilita enormemente la examinación del laboratorio clínico."
Debido a que la tecnología requiere solamente los materiales y un imán externo, es relativamente barata y rápida en comparación con el estándar de oro actual de separación, llamado ultracentrifugación, que requiere equipo costoso y demora horas en completarse.
Una vez validado en un estudio más amplio, Zheng y Belani creen que esta técnica se puede aplicar no sólo al cáncer de pulmón, sino también a tumores sólidos la mayoría si no todos, que son responsables del 80-90 por ciento de las muertes por cáncer.
"Secuenciar el ADN aislado de los EVs servirá como una herramienta prometedora para seguir la evolución del cáncer y monitorear la evolución del tumor con el objetivo final de mejorar la supervivencia del cáncer", concluye Belani.
"La mayoría de las células genera y secreta vesículas extracelulares," dice Siyang Zheng, profesor asociado de ingeniería biomédica e ingeniería eléctrica. "Pero son difíciles de estudiar. Son partículas del sub-micrómetras, así que realmente necesitamos un microscopio para verlas. Hay muchos desafíos técnicos en el aislamiento de nanoescala EVs que estamos tratando de superar para el diagnóstico de cáncer".
Al mismo tiempo, los investigadores creían que las EVs eran poco más que bolsas de basura que fueron lanzadas hacia fuera por las células. Más recientemente, han llegado a comprender que estos diminutos sacos de grasa — lípidos — que contienen doble cadena de ADN, ARN y proteínas que son responsables para la comunicación entre las células y pueden llevar marcadores de sus células de origen, incluyendo células tumorales. En el caso de cáncer, por lo menos una función para EVs es preparar el tejido distante para la metástasis.
El desafío inicial del equipo era desarrollar un método para aislar y purificar EVs en muestras de sangre que contienen múltiples componentes. El uso de la biopsia de líquidos o análisis de sangre, para el diagnóstico de cáncer es un desarrollo reciente que ofrece ventajas sobre la biopsia tradicional, que requiere la eliminación de un tumor o pegar una aguja en un tumor para extraer las células cancerosas. Para cáncer de pulmón o cáncer de cerebro, estas técnicas invasivas son difíciles, costosas y pueden ser dolorosas.
"Técnicas no invasivas como la biopsia líquida son preferibles para no sólo la detección y descubrimiento, sinó también para control de tratamiento," dice Chandra Belani, profesora de medicina y directora adjunta del Instituto del cáncer, Penn State College de medicina y colaboradora clínica en el estudio.
"Hemos inventado un sistema de dos materiales micro/nano", dice Zheng. "Uno es una sonda etiquetadora con dos colas de lípidos que se inserta espontáneamente en la superficie de lípidos de la vesícula extracelular. En el otro extremo de la sonda tenemos una molécula de biotina que se reconocerá por una molécula de avidina que hemos unido a una tira magnética".
Las bolas magnéticas de superficie modificada son de 400 a 500 nanómetros de diámetro y las sondas de etiquetado es del orden de 10 nanómetros. Cuando el sistema está optimizado, los investigadores pueden aislar los EVs de muestras de plasma de la sangre en unos 15 minutos. Lo EVs y su contenido entonces pueden ser analizados en un entorno de laboratorio o enviados a un laboratorio comercial de diagnóstico para caracterizar el ADN, ARN y proteínas.
En un artículo publicado el 10 de abril y como artículo de portada de abril en Nature Biomedical Engineering, el autor principal Wan de Yuan, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zheng, describe el uso la Nanosondas para capturar EVs del plasma de sangre de 19 pacientes con cáncer de pulmón de células pequeñas.
"Ayudado con este nuevo enfoque, hemos aislado con éxito los EVs de 19 pacientes con cáncer de pulmón avanzado e identificado mutaciones de ADN que pueden guiar la terapia de precisión en lugar de quimioterapia rutinaria" dice Wan. "De la recogida de sangre a la obtención de ADN derivado de EV, el procedimiento entero se puede terminar dentro de una hora. Sólo requiere un imán y una centrífuga de mesa común. Comparado con métodos prevalentes, el sistema nanoprobe facilita enormemente la examinación del laboratorio clínico."
Debido a que la tecnología requiere solamente los materiales y un imán externo, es relativamente barata y rápida en comparación con el estándar de oro actual de separación, llamado ultracentrifugación, que requiere equipo costoso y demora horas en completarse.
Una vez validado en un estudio más amplio, Zheng y Belani creen que esta técnica se puede aplicar no sólo al cáncer de pulmón, sino también a tumores sólidos la mayoría si no todos, que son responsables del 80-90 por ciento de las muertes por cáncer.
"Secuenciar el ADN aislado de los EVs servirá como una herramienta prometedora para seguir la evolución del cáncer y monitorear la evolución del tumor con el objetivo final de mejorar la supervivencia del cáncer", concluye Belani.