Nanosondes lipidiques (bleu, de couleur verte et jaune) s'insèrent spontanément dans la bicouche lipidique de trois vésicules extracellulaires. Le contenu de la cargaison des vésicules extracellulaires comprend des protéines, ADN et ARN. Les vésicules extracellulaires marquées à la nanosonde lipidique sont capturées à la surface d'une bille magnétique (noir, en bas) par interaction avec des molécules d'avidine conjuguées (rouge). L'isolement des exosomes et son analyse de cargaison offrent de nouvelles opportunités pour une gamme diversifiée d'analyses moléculaires, y compris la détection de mutations dans le plasma sanguin de patients cancéreux. Crédit :Xin Zou/Penn State
Un produit à l'échelle nanométrique de cellules humaines qui était autrefois considéré comme indésirable est maintenant connu pour jouer un rôle important dans la communication intercellulaire et dans de nombreux processus pathologiques, y compris les métastases cancéreuses. Des chercheurs de Penn State ont développé des nanosondes pour isoler rapidement ces marqueurs rares, appelées vésicules extracellulaires (VE), pour le développement potentiel de diagnostics précis du cancer et de traitements anticancéreux personnalisés.
"La plupart des cellules génèrent et sécrètent des vésicules extracellulaires, " dit Siyang Zheng, professeur agrégé de génie biomédical et de génie électrique. "Mais ils sont difficiles à étudier pour nous. Ce sont des particules submicrométriques, nous avons donc vraiment besoin d'un microscope électronique pour les voir. Il existe de nombreux défis techniques dans l'isolement des véhicules électriques à l'échelle nanométrique que nous essayons de surmonter pour le diagnostic du cancer au point de service. »
A un moment, les chercheurs pensaient que les véhicules électriques n'étaient guère plus que des sacs poubelles jetés par les cellules. Plus récemment, ils ont fini par comprendre que ces minuscules sacs contenant de la graisse - les lipides - contiennent de l'ADN double brin, ARN et protéines qui sont responsables de la communication entre les cellules et peuvent porter des marqueurs pour leurs cellules d'origine, y compris les cellules tumorales. En cas de cancer, au moins une fonction des véhicules électriques est de préparer les tissus distants pour les métastases.
Le défi initial de l'équipe était de développer une méthode pour isoler et purifier les véhicules électriques dans des échantillons de sang contenant plusieurs autres composants. L'utilisation de la biopsie liquide, ou prise de sang, pour le diagnostic du cancer est un développement récent qui offre des avantages par rapport à la biopsie traditionnelle, ce qui nécessite de retirer une tumeur ou d'enfoncer une aiguille dans une tumeur pour extraire les cellules cancéreuses. Pour le cancer du poumon ou les cancers du cerveau, ces techniques invasives sont difficiles, cher et peut être douloureux.
"Les techniques non invasives telles que la biopsie liquide sont préférables non seulement pour la détection et la découverte, mais aussi pour le suivi du traitement, " dit Chandra Belani, professeur de médecine et directeur adjoint de l'Institut du cancer, Penn State College of Medicine, et collaborateur clinique de l'étude.
"Nous avons inventé un système de deux matériaux micro/nano, " dit Zheng. " L'une est une sonde de marquage avec deux queues lipidiques qui s'insèrent spontanément dans la surface lipidique de la vésicule extracellulaire. À l'autre extrémité de la sonde, nous avons une molécule de biotine qui sera reconnue par une molécule d'avidine que nous avons attachée à une bille magnétique."
Les billes magnétiques modifiées en surface ont un diamètre de 400 à 500 nanomètres et les sondes de marquage sont de l'ordre de 10 nanomètres. Lorsque le système est optimisé, les chercheurs peuvent isoler les véhicules électriques à partir d'échantillons de plasma sanguin en 15 minutes environ. Les véhicules électriques et leur contenu peuvent ensuite être analysés en laboratoire ou envoyés à un laboratoire de diagnostic commercial pour caractériser l'ADN, ARN et protéines.
Dans un article publié en ligne aujourd'hui, 10 avril, et comme article de couverture d'avril dans Nature Génie Biomédical , l'auteur principal Yuan Wan, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng, décrit l'utilisation des nanosondes pour capturer les véhicules électriques du plasma sanguin de 19 patients atteints d'un cancer du poumon non à petites cellules.
« Grâce à cette nouvelle approche, nous avons réussi à isoler les véhicules électriques de 19 patients atteints d'un cancer du poumon avancé et à identifier des mutations de l'ADN qui peuvent guider une thérapie de précision au lieu d'une chimiothérapie de routine, " Dit Wan. "De la collecte de sang à l'obtention d'ADN dérivé d'EV, l'ensemble de la procédure peut être complété en une heure. Il ne nécessite qu'un aimant et une centrifugeuse de paillasse commune. Par rapport aux méthodes courantes, le système de nanosonde faciliterait grandement l'examen en laboratoire clinique."
Parce que la technologie ne nécessite que des matériaux et un aimant externe, il est relativement peu coûteux et rapide par rapport à l'étalon-or actuel de séparation, appelée ultracentrifugation, qui nécessite un équipement coûteux et prend des heures à compléter.
Une fois validé dans une étude plus large, Zheng et Belani pensent que cette technique peut être appliquée non seulement au cancer du poumon mais aussi à la plupart sinon à toutes les tumeurs solides, qui sont responsables de 80 à 90 pour cent des décès par cancer.
« Le séquençage de l'ADN isolé des véhicules électriques constituera un outil prometteur pour suivre l'évolution du cancer et surveiller la dynamique tumorale dans le but ultime d'améliorer la survie au cancer, " conclut Belani.
