Les ingénieurs du MIT ont conçu un nouveau capteur de nanoparticules qui pourrait permettre un diagnostic précoce du cancer avec un simple test d’urine. Les capteurs, qui peuvent détecter de nombreuses protéines cancéreuses différentes, pourraient également être utilisés pour distinguer le type d’une tumeur ou la façon dont elle réagit au traitement.
Les nanoparticules sont conçues pour que lorsqu’elles rencontrent une tumeur, elles libèrent de courtes séquences d’ADN qui sont excrétées dans l’urine. L’analyse de ces « codes-barres » d’ADN peut révéler des caractéristiques distinctives de la tumeur d’un patient particulier. Les chercheurs ont conçu leur test de manière à ce qu’il puisse être effectué à l’aide d’une bande de papier, similaire à un test Covid à domicile, qui, espèrent-ils, pourrait le rendre abordable et accessible au plus grand nombre de patients possible.
Nous essayons d’innover dans un contexte de mise à disposition de la technologie aux milieux à ressources faibles et moyennes. Mettre ce diagnostic sur papier fait partie de notre objectif de démocratiser les diagnostics et de créer des technologies peu coûteuses qui peuvent vous donner une réponse rapide au point de service. »
Sangeeta Bhatia , professeur John et Dorothy Wilson de sciences et technologies de la santé et de génie électrique et informatique au MIT et membre de l’Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer et de l’Institut de génie médical et des sciences
Lors de tests sur des souris, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser les capteurs pour détecter l’activité de cinq enzymes différentes exprimées dans les tumeurs. Ils ont également montré que leur approche pouvait être étendue pour distinguer au moins 46 codes-barres ADN différents dans un seul échantillon, en utilisant un dispositif microfluidique pour analyser les échantillons.
Bhatia est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Nanotechnologie de la nature. Liangliang Hao, un ancien chercheur du MIT qui est maintenant professeur adjoint de génie biomédical à l’Université de Boston, est l’auteur principal de l’étude.
Codes-barres ADN
Depuis plusieurs années, le laboratoire de Bhatia développe des « biomarqueurs synthétiques » qui pourraient être utilisés pour diagnostiquer le cancer. Ce travail s’appuie sur le concept de détection de biomarqueurs du cancer, tels que des protéines ou des cellules tumorales circulantes, dans l’échantillon de sang d’un patient. Ces biomarqueurs naturels sont si rares qu’il est presque impossible de les trouver, surtout à un stade précoce, mais des biomarqueurs synthétiques peuvent être utilisés pour amplifier les changements à plus petite échelle qui se produisent dans les petites tumeurs.
Dans des travaux antérieurs, Bhatia a créé des nanoparticules capables de détecter l’activité d’enzymes appelées protéases, qui aident les cellules cancéreuses à s’échapper de leurs emplacements d’origine ou à s’installer dans de nouveaux, en coupant à travers les protéines de la matrice extracellulaire. Les nanoparticules sont recouvertes de peptides clivés par différentes protéases, et une fois ces peptides libérés dans la circulation sanguine, ils peuvent alors être concentrés et plus facilement détectés dans un échantillon d’urine.
Les biomarqueurs peptidiques originaux ont été conçus pour être détectés en fonction de petites variations techniques de leur masse, à l’aide d’un spectromètre de masse. Ce type d’équipement n’est peut-être pas disponible dans les pays à faibles ressources. Les chercheurs ont donc entrepris de développer des capteurs qui pourraient être analysés plus facilement et à moindre coût, en utilisant des codes-barres ADN pouvant être lus à l’aide de la technologie CRISPR.
Pour que cette approche fonctionne, les chercheurs ont dû utiliser une modification chimique appelée phosphorothioate pour protéger les codes-barres de l’ADN circulant contre la dégradation dans le sang. Cette modification a déjà été utilisée pour améliorer la stabilité des vaccins à ARN modernes, leur permettant de survivre plus longtemps dans l’organisme.
Semblable aux rapporteurs peptidiques, chaque code-barres d’ADN est attaché à une nanoparticule par un lieur qui peut être clivé par une protéase spécifique. Si cette protéase est présente, la molécule d’ADN est libérée et libre de circuler, finissant par se retrouver dans l’urine. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé deux types différents de nanoparticules : l’une, une particule fabriquée à partir de polymères dont l’utilisation chez l’homme a été approuvée par la FDA, et l’autre un « nanocorps » – ; un fragment d’anticorps qui peut être conçu pour s’accumuler sur un site tumoral.
Une fois que les capteurs sont sécrétés dans l’urine, l’échantillon peut être analysé à l’aide d’une bande de papier qui reconnaît un rapporteur activé par une enzyme CRISPR appelée Cas12a. Lorsqu’un code-barres ADN particulier est présent dans l’échantillon, Cas12a amplifie le signal afin qu’il puisse être vu comme une bande sombre sur un test papier.
Les particules peuvent être conçues pour porter de nombreux codes à barres d’ADN différents, chacun détectant un type différent d’activité de protéase, ce qui permet une détection « multiplexée ». L’utilisation d’un plus grand nombre de capteurs améliore à la fois la sensibilité et la spécificité, permettant au test de distinguer plus facilement les types de tumeurs.
Signatures de la maladie
Lors de tests sur des souris, les chercheurs ont montré qu’un panel de cinq codes-barres ADN pouvait distinguer avec précision les tumeurs qui se sont d’abord développées dans les poumons des tumeurs formées par des cellules cancéreuses colorectales qui s’étaient métastasées dans les poumons.
« Notre objectif ici est de créer des signatures de maladies et de voir si nous pouvons utiliser ces panneaux à code-barres non seulement pour lire une maladie, mais aussi pour classer une maladie ou distinguer différents types de cancer », a déclaré Hao.
Pour une utilisation chez l’homme, les chercheurs s’attendent à ce qu’ils aient besoin d’utiliser plus de cinq codes-barres car il existe une grande variété entre les tumeurs des patients. Pour aider à atteindre cet objectif, ils ont travaillé avec des chercheurs du Broad Institute du MIT et de Harvard dirigés par le professeur Pardis Sabeti de l’Université de Harvard, pour créer une puce microfluidique qui peut être utilisée pour lire jusqu’à 46 codes-barres ADN différents à partir d’un échantillon.
Ce type de test pourrait être utilisé non seulement pour détecter le cancer, mais aussi pour mesurer dans quelle mesure la tumeur d’un patient répond au traitement et si elle a récidivé après le traitement. Les chercheurs travaillent maintenant à développer davantage les particules dans le but de les tester chez l’homme. Glympse Bio, une société cofondée par Bhatia, a effectué des essais cliniques de phase 1 sur une version antérieure des particules de diagnostic urinaire et a constaté qu’elles étaient sans danger pour les patients.
En plus de Bhatia, Hao et Sabeti, les co-auteurs de l’étude incluent Renee T. Zhao, Nicole L. Welch, Edward Kah Wei Tan, Qian Zhong, Nour Saida Harzallah, Chayanon Ngambenjawong, Henry Ko et Heather E. Fleming.
La recherche a été financée par le Koch Institute Support (core) Grant du National Cancer Institute, un Core Center Grant du National Institute of Environmental Health Sciences, le Marble Center for Cancer Nanomedicine du Koch Institute, le Koch Institute Frontier Research Program, le Virginia and DK Ludwig Fund for Cancer Research et un Pathway to Independence Award du National Cancer Institute.
