ابداع حسگرهای قابل استنشاق برای تشخیص زودهنگام سرطان ریه

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

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

این روش امکان پذیر بتواند جانشین یا مکمل استاندارد طلایی جاری برای تشخیص سرطان ریه بشود 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 او گفت: در سراسر جهان، سرطان در کشورهای با درآمد پایین و متوسط ترویج بیشتری خواهد یافت. اپیدمی سرطان ریه در سطح جهانی، ناشی از آلودگی و استعمال دخانیات است. به این علت، ما می‌دانیم که دسترسی به این نوع فناوری می‌تواند تأثیر بسیاری داشته باشد.

ذرات قابل استنشاق

برای پشتیبانی به تشخیص هرچه سریعتر سرطان ریه، «کارگروه خدمات پیشگیرانه آمریکا»(USPSTF) پیشنهاد می‌کند که افراد سیگاری بالای ۵۰ سال، سی‌تی اسکن را به طور سالانه انجام بدهند. با وجود این، همه افراد گروه‌ مورد نظر نمی توانند این اسکن‌ها را دریافت کنند و بالا بودن جواب مثبت کاذب در اسکن‌ها می‌تواند به آزمایش‌های غیر الزامی و تهاجمی منجر بشود.

بهاتیا دهه قبل را صرف گسترش نانوحسگرهایی برای تشخیص دادن سرطان و دیگر بیماری‌ها کرده است و او و همکارانش در این پژوهش، امکان منفعت گیری از نانوحسگرها را به گفتن جانشین در دسترس‌تر سی‌تی اسکن سرطان ریه مورد بازدید قرار دادند.

این حسگرها از نانوذرات پلیمری پوشیده شده‌اند که چیزی همانند رمز DNA را در خود جای داده‌اند. هنگامی حسگر با آنزیم‌هایی موسوم به «پروتئازها»(Proteases) مواجه می‌بشود که زیاد تر در تومورها بیشتر از اندازه فعال می باشند، از ذره جدا می‌بشود. این شبه‌رمزها نهایتا در ادرار تجمع می‌کنند و از بدن دفع خواهد شد.

نسخه‌های قبل این حسگرها که دیگر اندام مبتلا به سرطان همانند کبد و تخمدان‌ها را مقصد 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 او گفت: وقتی که این فناوری را گسترش دادیم، مقصد ما اراعه کردن روشی می بود که بتواند سرطان را با حساسیت بالا تشخیص دهد و این چنین اغاز دسترسی بهتری داشته باشد؛ به طوری که امیدواریم بتوانیم نابرابری را در منبع های و تشخیص زودهنگام سرطان ریه بهبود بخشیم.

پژوهشگران برای دستیابی به این مقصد، دو فرمول را از ذرات خود تشکیل کردند. آنها محلولی را اراعه دادند که می‌توان آن را با نبولایزر به بدن رساند و این چنین، یک پودر خشک را ساختند که می‌توان به همراه دستگاه تنفسی منفعت گیری کرد.

هنگامی که ذرات به ریه‌ها می‌رسند، جذب بافت خواهد شد و آنجا در رویارویی با هرگونه پروتئازی قرار می‌گیرند که امکان پذیر وجود داشته باشد. سلول‌های انسانی می‌توانند صدها پروتئاز متفاوت را گفتن کنند و برخی از آنها در تومورها بیش‌فعال می باشند. آنها به سلول‌های سرطانی پشتیبانی می‌کنند تا با رفتن به بین پروتئین‌های ماتریکس خارج سلولی، از مکان مهم خود فرار کنند. این پروتئازهای سرطانی، رمزهای DNA را از حسگرها جدا می‌کنند و به آنها امکان خواهند داد تا در جریان خون به گردش درآیند و سپس، از طریق ادرار دفع شوند.

در نسخه‌های قبل این فناوری، پژوهشگران از طیف‌سنجی جرمی برای تحلیل نمونه ادرار و شناسایی رمزهای DNA منفعت گیری کردند. با وجود این، طیف‌سنجی جرمی به تجهیزاتی نیاز دارد که امکان پذیر در مناطقی با منبع های کم حاضر نباشند. به این علت، پژوهشگران برای این نسخه، یک سنجش جریان جانبی را ابداع کردند که امکان شناسایی رمزها را با منفعت گیری 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 می باشند. هیچ نوع پیش‌درمان یا پردازش نمونه ادرار مورد نیاز نیست و نتایج را می‌توان نزدیک به ۲۰ دقیقه بعد از به دست آوردن نمونه خواند.

تشخیص دقیق

پژوهشگران سیستم تشخیصی خود را روی موش‌هایی آزمایش کردند که از نظر ژنتیکی برای تشکیل تومورهای ریه شبیه آنچه در انسان مشاهده می‌بشود، مهندسی شده‌اند. حسگرها ۷.۵ هفته بعد از اغاز شکل‌گیری تومورها اعمال شدند. این نقطه وقتی به گمان زیاد 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 منفعت گیری 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 اراعه دهد. سپس، آن ترکیب را روی موش آزمایش کردند و دریافتند که می‌تواند تومورهای ریه را در مرحله های اولیه تشخیص دهد.

به حرف های پژوهشگران، امکان پذیر حسگرهای بیشتری برای تشخیص دقیق روی انسان مورد نیاز باشد اما این مقصد می‌تواند با منفعت گیری از نوارهای کاغذی متعدد محقق بشود که هر کدام چهار رمز DNA گوناگون را شناسایی می‌کنند.

اکنون پژوهشگران تصمیم دارند مثالهای بافت انسان را تحلیل کنند تا ببینند آیا حسگرها برای تشخیص دادن سرطان‌های انسانی نیز کارآیی دارند یا خیر. آنها امیدوارند که در طویل مدت بتوانند آزمایش‌های بالینی را روی بیماران انسان انجام بدهند. شرکتی به نام «سان‌برد بیو»(Sunbird Bio) پیشتر آزمایش‌های فاز یک را روی حسگر شبیهی 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) منفعت گیری کرده است.

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

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