Mempercepat deteksi dini penyakit dengan nanobioteknologi

Bayangkan skenario ini:  Pemeriksaan fisik tahunan dilengkapi dengan chip diagnostik rumah yang terjangkau, memungkinkan Anda memantau kesehatan dasar Anda secara teratur hanya dengan sampel urin sederhana. Meskipun secara lahiriah Anda tampak dalam keadaan sehat, perangkat menunjukkan fluktuasi profil biomarker Anda, yang menunjukkan kemungkinan munculnya perkembangan kanker tahap awal atau adanya virus.

Perangkat diagnostik seperti tes kehamilan di rumah telah ada sejak tahun 1970-an. Ini merevolusi kemampuan seorang wanita untuk mengetahui apakah dia hamil tanpa harus menunggu janji dokter untuk mengkonfirmasi kecurigaannya. Tes ini bergantung pada pendeteksian hormon, human chorionic gonadotropin, yang ada dalam urin. Namun dapatkah mendeteksi kanker, atau virus mematikan, dari jenis sampel dan perangkat serupa semudah dan tidak invasif?

Chip nanoDLD 2cmx2cm IBM Research dipasang di jig mikofluida

Selama beberapa tahun terakhir, tim lintas disiplin di IBM Research yang dipimpin oleh Dr. Joshua Smith, ilmuwan riset dan penemu utama, dan Dr. Gustavo Stolovitzky, direktur program IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, telah mengeksplorasi ide ini oleh memperlengkapi kembali teknologi silikon dan menggunakannya untuk memisahkan partikel berukuran nano seperti elemen virus dan kanker.

Jawabannya terletak di persimpangan biologi manusia dan nanoteknologi. Pertama, Anda memerlukan "biopsi cair", yang dapat diperoleh dari sampel urin atau air liur. Kemudian biomolekul kecil nanometer perlu dipisahkan untuk deteksi hilir penyakit, bahkan saat keberadaannya tidak terdeteksi secara fisik. Teknik pemisahan saat ini membutuhkan peralatan mahal, laboratorium biokimia, dan teknisi terlatih, membuat pemeriksaan rutin menjadi tidak praktis. Tetapi pendekatan nanoteknologi berbasis chip dapat menawarkan pilihan yang sederhana dan terjangkau untuk memungkinkan dokter mendeteksi dan memantau penyakit, bahkan pada tahap paling awal, jauh sebelum gejala fisik muncul dan ketika prognosis untuk pilihan pengobatan paling positif. Ini adalah cawan suci bagi para profesional medis:perlakukan orang sebelum mereka sakit kronis.

Keuntungan besar tim ini adalah menggabungkan nanoteknologi canggih dan teknik fabrikasi dengan keahlian biologi komputasi. Sinergi yang kuat ini sulit didapat di laboratorium penelitian lain.

Kenali biopartikel Anda

Memisahkan biopartikel bukanlah konsep baru, tetapi dalam eksperimen terbaru mereka, tim Smith dan Stolovitzky adalah yang pertama berhasil memisahkan biomolekul berskala nano – khususnya eksosom (vesikel turunan sel yang ditemukan dalam cairan tubuh yang mengandung muatan genetik yang dilepaskan dari sel induk) diameternya hanya 20nm, kira-kira 1/5.000 rambut manusia. Pada skala ini, sejumlah besar biopartikel penting dapat dipisahkan, termasuk eksosom, DNA, virus, dan kompleks protein yang disebutkan di atas, yang berpotensi dapat menandakan awal timbulnya penyakit, keberadaan virus segera setelah terpapar, atau digunakan untuk memantau perkembangan penyakit.

Menggunakan teknologi yang disebut perpindahan lateral deterministik skala nano, atau nanoDLD, sampel cairan dapat dilewatkan, dalam aliran kontinu, melalui chip silikon yang dirancang khusus dengan susunan pilar asimetris. Array ini memungkinkan sistem untuk menyortir air terjun mikroskopis partikel, memisahkan partikel berdasarkan ukuran hingga resolusi puluhan nanometer. Pemisahan terjadi ketika partikel yang lebih kecil bergerak dalam gerakan zig-zag ke arah fluida, sementara partikel yang lebih besar menabrak susunan di sepanjang arah asimetri pilar, seperti pengemudi truk yang dipaksa masuk ke jalur truk di jalan bebas hambatan, memungkinkan material dengan ukuran berbeda. diisolasi untuk deteksi atau analisis hilir.

“Dampak sosial dari penelitian ini adalah memungkinkan dokter untuk mendeteksi kanker lebih awal…ketika ada lebih banyak kemungkinan untuk disembuhkan,” kata Stolovitzky. “Kami ingin penelitian ini berada di area kanker dan juga area pendeteksian DNA dan virus seperti Zika. Semuanya direduksi menjadi hal yang sama:dapat memiliki alat diagnostik kecil dan terjangkau yang dapat mendeteksi partikel biomarker dalam jumlah kecil yang memberi tahu dokter tentang kesehatan seseorang.”

Skala biologi dari manusia hingga atom dan rentang skala nano baru yang dapat dijangkau oleh perangkat nanoDLD IBM Research [infografis lengkap]

Smith menambahkan:“Kemampuan dokter untuk secara teratur menyaring profil biologis seseorang dengan cara yang terjangkau dan non-invasif berpotensi mengantarkan era baru pencegahan perawatan kesehatan dan meningkatkan pemahaman kita tentang faktor-faktor yang berkontribusi terhadap perkembangan penyakit.”

Menggunakan eksosom untuk merintis pengobatan pencegahan

Sebagai bagian dari pengembangan berkelanjutan untuk teknologi ini, IBM Research bekerja sama dengan tim dari Sistem Kesehatan Gunung Sinai, yang dipimpin oleh Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, Ketua Departemen Patologi di Sistem Kesehatan Gunung Sinai dan Profesor Ilmu Patologi, Genetika dan Genomik, dan Ilmu Onkologi di Icahn School of Medicine. Kolaborasi ini menyatukan keahlian domain Mount Sinai dalam kanker dan patologi sementara IBM Research menghadirkan pengalaman bioinformatika dan teknologi pemisahan skala nano terbaru.

Dalam perang melawan kanker, eksosom semakin dipandang sebagai biomarker yang berguna untuk diagnosis dan prognosis tumor ganas. Eksosom dilepaskan dalam cairan tubuh yang mudah diakses seperti darah dan urin, dan merupakan alat biomedis yang berharga, karena dapat mengungkap asal mula kanker.

“Kami telah menyadari bahwa sel berbicara kepada diri mereka sendiri dengan mengirimkan utusan. Beberapa utusan ini disimpan dan ditransfer di dalam berbagai vesikel kecil atau eksosom. Kami telah belajar bahwa di dalam amplop ini banyak informasi penting dapat ditemukan, termasuk yang dikodekan oleh protein, atau bahkan pembawa pesan sel kita sendiri dalam bentuk fragmen gen DNA dan molekul RNA,” kata Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo termotivasi oleh kesempatan untuk menggunakan informasi yang dibawa dalam eksosom untuk mengatasi penyakit.

“Hari ini kami tidak mengejar 'kesehatan' dalam konteks definisi yang menyeluruh. Hari ini, kami pada dasarnya melakukan apa yang dapat kami definisikan sebagai 'perawatan sakit'. Individu yang sehat, profesional medis, dan masyarakat pada umumnya perlu dididik untuk menerima dan menerapkan 'perawatan kesehatan'. Kami menemukan waktu untuk membawa mobil kami untuk pemeriksaan tahunan. , tapi bukan diri kita sendiri. Sering kali itu karena kita takut ada yang salah. Eksosom dapat membantu dalam deteksi dini penyakit. Menanyakan dan menginterogasi pesan mana yang mulai dikirim antar organ untuk memprediksi apa yang mungkin terjadi, itu akan menjadi salah satu cara baru yang paling menarik untuk melihat perawatan kesehatan.”

Cordon-Cardo percaya bahwa dengan teknologi nanoDLD IBM, para ahli dapat secara lebih efektif menguping pesan yang dikirim antara sel dan organ dengan cara yang non-invasif. Memantau percakapan antar sel ini secara lebih teratur akan memungkinkan para ahli untuk bertindak sebagai pendamping virtual, mengamati dengan cermat sampai saatnya tiba ketika kondisinya telah pulih dan pasien telah kembali ke keadaan sehat, atau memungkinkan dokter untuk memutuskan bahwa sesuatu yang lebih invasif diperlukan. .

Mikrograf elektron eksosom pada permukaan.

“Saat kita mendahului penyakit biasanya kita bisa mengatasinya dengan baik; tetapi jika penyakitnya ada di depan kita, perjalanan biasanya jauh lebih sulit. Salah satu perkembangan penting yang kami coba dalam kolaborasi ini adalah memiliki dasar dasar untuk mengidentifikasi tanda-tanda molekuler yang mungkin ada sejak dini,” katanya.

Pengujian dengan kanker prostat

IBM Research dan Mount Sinai berencana menguji teknologi nanoDLD pada kanker prostat, kanker paling umum pada pria di AS. Pada kanker prostat, dokter menyarankan agar pria yang berusia lebih dari 50 tahun melakukan tes tahunan untuk antigen spesifik prostat (PSA) yang diambil dari sampel darah. Namun, memiliki tingkat PSA yang tinggi tidak berarti seseorang memiliki atau akan terkena kanker prostat. Sebaliknya, tidak dites positif untuk PSA juga tidak menghalangi seseorang untuk membentuk kanker prostat.

Harapannya adalah untuk mencari biomarker yang spesifik dan sensitif, dan eksosom saat ini mewakili batas baru yang menawarkan petunjuk yang mungkin menjadi jawaban apakah seseorang menderita kanker.

“Dengan eksosom, Anda dapat melihat sekilas apa yang sedang diproses oleh sel kanker. Sel melepaskan eksosom sepanjang waktu. Jika kami mendeteksinya, kami dapat melihat apa yang ada di dalamnya tanpa menyentuh kankernya,” kata Stolovitzky.

Saat ini, penelitian tersebut masih dalam tahap awal. Hasil ilmiah terbaru tim Riset IBM dipublikasikan hari ini di Nature Nanotechnology*. Sebagai bagian dari langkah selanjutnya, tim berharap untuk meningkatkan volume dan throughput dari apa yang dapat ditangani perangkat dan merekayasa perangkat sehingga dapat memisahkan biopartikel yang lebih kecil dari 20 nanometer, sehingga membawanya ke ranah protein individu.

Mereka juga berencana untuk memastikan perangkat mereka dapat mengambil jenis biomarker yang mereka harapkan untuk dilihat pada eksosom pasien kanker prostat, dan akan terus bekerja untuk membangun perangkat prototipe tingkat klinis. Uji klinis akan diperlukan sebelum perangkat bisa mencapai pasar. Tapi seperti tes kehamilan yang mengubah permainan untuk wanita hamil, suatu hari di masa depan kita, kita mungkin bisa menggunakan perangkat perawatan sederhana yang memberi kita tanda-tanda kesehatan kita bahkan sebelum kita melihat gejala apa pun.

Catatan kaki:

*Nanoteknologi Alam: Array Perpindahan Lateral Skala Nano untuk Pemisahan Eksosom dan Koloid Hingga 20n, DOI:10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (afiliasi saat ini:Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), dan Yann Astier (afiliasi saat ini:Roche Molecular Systems)