בדיקת הדם החדשה הזו יכולה לזהות סרטן לפני שהוא מופיע בסריקות

סמנים ביולוגיים כגון חלבונים, שברי DNA ומולקולות אחרות יכולים לאותת האם קיים סרטן, כיצד הוא מתקדם או הסיכון של אדם לפתח אותו. הקושי הוא שבשלבים המוקדמים ביותר של המחלה, סמנים אלו קיימים בריכוזים נמוכים במיוחד, מה שקשה למדוד אותם בכלים קונבנציונליים.

"החיישן שלנו משלב ננו-מבנים העשויים מ-DNA עם נקודות קוונטיות וטכנולוגיית עריכת גנים של CRISPR כדי לזהות אותות ביולוגיים חלשים באמצעות גישה מבוססת אור הידועה בשם הדור ההרמוני השני (SHG)", אמר מנהיג צוות המחקר האן ג'אנג מאוניברסיטת שנזן בסין. "אם תצליח, גישה זו יכולה לעזור להפוך את הטיפולים במחלה לפשוטים יותר, לשפר את שיעורי ההישרדות ולהפחית את עלויות הבריאות הכוללות."

ב אופטיקהכתב העת של Optica Publishing Group למחקר בעל השפעה גבוהה, ג'אנג וצוותו דיווחו שהמכשיר זיהה סמנים ביולוגיים של סרטן ריאות בדגימות של חולים ברמות תת-אטומולריות. גם כאשר היו רק מולקולות בודדות, המערכת הפיקה אות ברור וניתן למדידה. מכיוון שהפלטפורמה ניתנת לתכנות, היא עשויה להיות מותאמת לזיהוי וירוסים, חיידקים, רעלנים סביבתיים או סמנים ביולוגיים הקשורים למצבים כמו מחלת אלצהיימר.

"לאבחון מוקדם, שיטה זו טומנת בחובה הבטחה לאפשר בדיקות דם פשוטות לסרטן ריאות לפני שגידול עשוי להיות גלוי בסריקת CT", אמר ג'אנג. "זה יכול גם לעזור לקדם אפשרויות טיפול מותאמות אישית בכך שהוא מאפשר לרופאים לנטר את רמות הסמן הביולוגי של המטופל מדי יום או שבועי כדי להעריך את יעילות התרופה, במקום לחכות חודשים לתוצאות ההדמיה."

טכנולוגיית חישה אופטית ללא הגברה

רוב הבדיקות הביולוגיות הנוכחיות דורשות הגברה כימית כדי להגדיל אותות מולקולריים זעירים, מה שמוסיף זמן, מורכבות והוצאות. החוקרים שאפו ליצור אסטרטגיית זיהוי ישירה המבטלת את השלבים הנוספים הללו.

המערכת מסתמכת על SHG, תופעה אופטית לא ליניארית שבה אור נכנס הופך לאור עם מחצית מאורך הגל. בתכנון זה, SHG מתרחש על פני השטח של מוליך למחצה דו מימדי הנקרא מוליבדן דיסולפיד (MoS₂).

כדי למקם במדויק את מרכיבי החישה, הצוות בנה טטרהדרונים של DNA, שהם ננו-מבנים קטנים בצורת פירמידה שנוצרו כולו מ-DNA. מבנים אלה מחזיקים נקודות קוונטיות במרחקים מבוקרים בקפידה ממשטח ה-MoS₂. הנקודות הקוונטיות מעצימות את השדה האופטי המקומי ומגבירות את אות SHG.

לאחר מכן שולבה טכנולוגיית עריכת הגנים של CRISPR-Cas כדי לזהות סמנים ביולוגיים ספציפיים. כאשר החלבון Cas12a מזהה את המטרה שלו, הוא חותך את גדילי ה-DNA המעגנים את הנקודות הקוונטיות. פעולה זו מפעילה ירידה ניתנת למדידה באות SHG. מכיוון ש-SHG מייצרת מעט מאוד רעשי רקע, המערכת יכולה לזהות ריכוזי סמנים ביולוגיים נמוכים במיוחד עם רגישות גבוהה.

"במקום לראות ב-DNA רק חומר ביולוגי, אנו משתמשים בו כאבני בניין הניתנים לתכנות, המאפשרים לנו להרכיב את רכיבי החיישן שלנו בדיוק ברמת ננומטר", אמר ג'אנג. "על ידי שילוב של חישה לא ליניארית אופטית, המפחיתה למעשה רעשי רקע, עם עיצוב נטול הגברה, השיטה שלנו מציעה איזון מובהק של מהירות ודיוק."

בדיקת סרטן ריאות מוצלחת בסרום אנושי

כדי להעריך את הביצועים בעולם האמיתי, החוקרים התמקדו ב-miR-21, סמן ביולוגי של מיקרו-RNA הקשור לסרטן ריאות. לאחר שאישרו שהמכשיר יכול לזהות miR-21 בתמיסת חיץ מבוקרת, הם בדקו אותו באמצעות סרום אנושי מחולי סרטן ריאות כדי לדמות בדיקת דם ממשית.

"החיישן עבד בצורה יוצאת דופן, והראה ששילוב אופטיקה, ננו-חומרים וביולוגיה יכול להיות אסטרטגיה יעילה לייעול מכשיר", אמר ג'אנג. "החיישן היה גם מאוד ספציפי – התעלם מגדילי RNA דומים אחרים וזיהה רק את המטרה של סרטן הריאות".

המטרה הבאה היא לכווץ את המערכת האופטית. החוקרים שואפים לפתח גרסה ניידת שתוכל לשמש ליד המיטה, במרפאות חוץ או באזורים מרוחקים עם משאבים רפואיים מוגבלים.