ابداع حسگرهای قابل استنشاق برای تشخیص زودهنگام سرطان ریه

با استفاده از فناوری جدیدی که در دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) توسعه یافته است، تشخیص دادن سرطان ریه می‌تواند به آسانی استنشاق کردن حسگرهای نانوذرات و سپس انجام دادن آزمایش ادرار باشد که نشان می‌دهد آیا تومور وجود دارد یا خیر.

به نقل از ساینمگ، تشخیص جدید مبتنی بر نانوحسگرهایی است که از طریق دستگاه تنفسی یا «نبولایزر»(nebulizer) منتقل می‌شوند. اگر حسگرها با پروتئین‌های مرتبط با سرطان ریه‌ روبه‌رو شوند، سیگنالی را تولید می‌کنند که در ادرار جمع می‌شود و می‌توان آن را با یک نوار آزمایش کاغذی ساده تشخیص داد.

این روش ممکن است بتواند جایگزین یا مکمل استاندارد طلایی کنونی برای تشخیص سرطان ریه شود که سی‌تی اسکن با دوز پایین است. پژوهشگران می‌گویند این روش می‌تواند تأثیر قابل توجهی را در کشورهای با درآمد کم و متوسط داشته باشد که دسترسی گسترده‌ای به اسکنرهای مخصوص سی‌تی اسکن ندارند.

«سانگیتا بهاتیا»(Sangeeta Bhatia) استاد دانشگاه ام‌آی‌تی گفت: در سراسر جهان، سرطان در کشورهای با درآمد پایین و متوسط رواج بیشتری خواهد یافت. اپیدمی سرطان ریه در سطح جهانی، ناشی از آلودگی و استعمال دخانیات است. بنابراین، ما می‌دانیم که دسترسی به این نوع فناوری می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد.

ذرات قابل استنشاق

برای کمک به تشخیص هرچه زودتر سرطان ریه، «کارگروه خدمات پیشگیرانه آمریکا»(USPSTF) توصیه می‌کند که افراد سیگاری بالای ۵۰ سال، سی‌تی اسکن را به صورت سالانه انجام دهند. با وجود این، همه افراد گروه‌ مورد نظر نمی‌توانند این اسکن‌ها را دریافت کنند و بالا بودن پاسخ مثبت کاذب در اسکن‌ها می‌تواند به آزمایش‌های غیر ضروری و تهاجمی منجر شود.

بهاتیا دهه گذشته را صرف توسعه نانوحسگرهایی برای تشخیص دادن سرطان و سایر بیماری‌ها کرده است و او و همکارانش در این پژوهش، امکان استفاده از نانوحسگرها را به عنوان جایگزین در دسترس‌تر سی‌تی اسکن سرطان ریه مورد بررسی قرار دادند.

این حسگرها از نانوذرات پلیمری پوشیده شده‌اند که چیزی مانند رمز DNA را در خود جای داده‌اند. وقتی حسگر با آنزیم‌هایی موسوم به «پروتئازها»(Proteases) روبه‌رو می‌شود که اغلب در تومورها بیش از اندازه فعال هستند، از ذره جدا می‌شود. این شبه‌رمزها نهایتا در ادرار تجمع می‌کنند و از بدن دفع می‌شوند.

نسخه‌های پیشین این حسگرها که سایر اندام مبتلا به سرطان مانند کبد و تخمدان‌ها را هدف قرار می‌دادند، برای تزریق وریدی طراحی شده بودند. پژوهشگران می‌خواستند برای تشخیص سرطان ریه، حسگری را بسازند که قابل استنشاق و استقرار آن ساده‌تر باشد.

«کیان ژونگ»(Qian Zhong) از پژوهشگران این پروژه گفت: زمانی که این فناوری را توسعه دادیم، هدف ما ارائه کردن روشی بود که بتواند سرطان را با حساسیت بالا تشخیص دهد و همچنین آستانه دسترسی بهتری داشته باشد؛ به طوری که امیدواریم بتوانیم نابرابری را در منابع و تشخیص زودهنگام سرطان ریه بهبود بخشیم.

پژوهشگران برای دستیابی به این هدف، دو فرمول را از ذرات خود ایجاد کردند. آنها محلولی را ارائه دادند که می‌توان آن را با نبولایزر به بدن رساند و همچنین، یک پودر خشک را ساختند که می‌توان به همراه دستگاه تنفسی استفاده کرد.

هنگامی که ذرات به ریه‌ها می‌رسند، جذب بافت می‌شوند و آنجا در رویارویی با هرگونه پروتئازی قرار می‌گیرند که ممکن است وجود داشته باشد. سلول‌های انسانی می‌توانند صدها پروتئاز متفاوت را بیان کنند و برخی از آنها در تومورها بیش‌فعال هستند. آنها به سلول‌های سرطانی کمک می‌کنند تا با رفتن به میان پروتئین‌های ماتریکس خارج سلولی، از مکان اصلی خود فرار کنند. این پروتئازهای سرطانی، رمزهای DNA را از حسگرها جدا می‌کنند و به آنها امکان می‌دهند تا در جریان خون به گردش درآیند و سپس، از طریق ادرار دفع شوند.

در نسخه‌های پیشین این فناوری، پژوهشگران از طیف‌سنجی جرمی برای تحلیل نمونه ادرار و شناسایی رمزهای DNA استفاده کردند. با وجود این، طیف‌سنجی جرمی به تجهیزاتی نیاز دارد که ممکن است در مناطقی با منابع کم موجود نباشند. بنابراین، پژوهشگران برای این نسخه، یک سنجش جریان جانبی را ابداع کردند که امکان شناسایی رمزها را با استفاده از یک نوار آزمایشی کاغذی فراهم می‌کند.

پژوهشگران این نوار کاغذی را برای شناسایی حداکثر چهار رمز متفاوت DNA طراحی کردند که هر کدام نشان‌دهنده وجود یک پروتئاز متفاوت هستند. هیچ نوع پیش‌درمان یا پردازش نمونه ادرار مورد نیاز نیست و نتایج را می‌توان حدود ۲۰ دقیقه پس از به دست آوردن نمونه خواند.

تشخیص دقیق

پژوهشگران سیستم تشخیصی خود را روی موش‌هایی آزمایش کردند که از نظر ژنتیکی برای ایجاد تومورهای ریه مشابه آنچه در انسان مشاهده می‌شود، مهندسی شده‌اند. حسگرها ۷.۵ هفته پس از آغاز شکل‌گیری تومورها اعمال شدند. این نقطه زمانی احتمالا با مرحله اول یا دوم سرطان در انسان مرتبط است.

پژوهشگران در اولین مجموعه آزمایش‌های خود روی موش‌ها، سطوح ۲۰ حسگر متفاوت را اندازه‌گیری کردند که برای تشخیص پروتئازهای گوناگون طراحی شده بودند. آنها با استفاده از الگوریتم یادگیری ماشینی برای تحلیل این نتایج، یک ترکیب متشکل از تنها چهار حسگر را شناسایی کردند که پیش‌بینی می‌شد نتایج تشخیصی دقیقی را ارائه دهد. سپس، آن ترکیب را روی موش آزمایش کردند و دریافتند که می‌تواند تومورهای ریه را در مراحل اولیه تشخیص دهد.

به گفته پژوهشگران، ممکن است حسگرهای بیشتری برای تشخیص دقیق روی انسان مورد نیاز باشد اما این هدف می‌تواند با استفاده از نوارهای کاغذی متعدد محقق شود که هر کدام چهار رمز DNA گوناگون را شناسایی می‌کنند.

اکنون پژوهشگران قصد دارند نمونه‌های بافت انسان را تحلیل کنند تا ببینند آیا حسگرها برای تشخیص دادن سرطان‌های انسانی نیز کارآیی دارند یا خیر. آنها امیدوارند که در بلندمدت بتوانند آزمایش‌های بالینی را روی بیماران انسان انجام دهند. شرکتی به نام «سان‌برد بیو»(Sunbird Bio) پیشتر آزمایش‌های فاز یک را روی حسگر مشابهی انجام داده که در آزمایشگاه بهاتیا ساخته شده و آن را برای تشخیص دادن سرطان کبد و نوعی هپاتیت به نام «استئاتوهپاتیت غیر الکلی»(NASH) استفاده کرده است.

در بخش‌هایی از جهان که دسترسی محدودی به سی‌تی‌ اسکن وجود دارد، این فناوری می‌تواند پیشرفت چشمگیری را در غربال‌گری سرطان ریه ارائه دهد؛ به ‌ویژه از آن جهت که نتایج را می‌توان با یک بازدید به دست آورد.

این پژوهش در مجله «Science Advances» به چاپ رسید.