Hvordan Dielektroforese Kan Brukes til Å Isolere Nanopartikler Fra Plasma for Tidlig Kreftdiagnostikk

Nanopartikler som stammer fra kreftsvulster utgjør en lovende kilde til biomarkører som kan brukes for tidlig påvisning, prognose og overvåkning av kreft. Disse partiklene kommer inn i blodbanen gjennom både aktiv sekresjon og passiv frigjøring fra svulster. Aktiv sekresjon skjer gjennom utslipp av ekstracellulære vesikler (EV-er), slik som eksomer, som er små membranbundne vesikler som transporterer proteiner, lipider og nukleinsyrer. Disse vesiklene blir overskredet av svulstene i forhold til sunt vev, og kan ha en betydelig rolle i å modifisere svulstens mikro-miljø, fremme vekst, immundemping og metastase. På den andre siden kan passiv frigjøring oppstå når svulsten vokser til en størrelse som gjør at dens celler ikke lenger kan få nok oksygen og næring, og dermed begynner å dø og frigjøre intracellulære materialer, inkludert cellerelatert DNA (cf-DNA), i form av små nanopartikler.

En annen type nanopartikkel som sirkulerer i blodet stammer fra bakterier som kan kolonisere svulster. Tumorer, spesielt de som er hypoksiske og nekrotiske, gir et beskyttet miljø for bakterier, som deretter kan frigjøre bakterielle membranvesikler (BMV-er). Disse partiklene, som er av en størrelse på omtrent 100 nm, kan inneholde genetiske og proteomiske markører som er spesifikke for deres bakterielle stamme. Dette gjør dem til et potensielt biomarkør for tidlig deteksjon, og en rask identifikasjon av bakterier i tumoren kan gi ytterligere informasjon om kreftens aggressivitet og respons på behandling.

Den største utfordringen ved bruk av nanopartikler som biomarkører i blodbaserte diagnostiske tester er at de er ekstremt små og har lav flyteevne, noe som gjør det vanskelig å hente dem ut fra plasma. Eksisterende metoder, som størrelsesselektiv kromatografi og ultracentifugering, krever ofte store volum av plasma og kan kompromittere integriteten til nanopartikkelmembranene. I tillegg er de dyrere og tidkrevende.

Dielektroforese (DEP) er en lovende teknikk som benytter vekslende elektriske felt for å hente ut disse nanopartiklene fra plasma. DEP utnytter et ikke-uniformt elektrisk felt som påfører krefter på partiklene i en væske, og hvor styrken på disse kreftene bestemmes av flere faktorer, blant annet partikkelens størrelse og dens dielektriske egenskaper. Nanopartiklene som stammer fra EV-er har ideelle dielektriske egenskaper som gjør dem spesielt godt egnet for denne typen isolasjonsteknikk. For eksempel er eksomer, som har et lipid/proteinbelegg, relativt små (50-150 nm) og har en lav dielektrisk konstant i lipidlaget, som gjør at de responderer effektivt på den ikke-uniforme elektriske feltet som benyttes i DEP.

Dielektroforese kan i praksis brukes til å raskt og effektivt hente ut ønskede nanopartikler fra plasma. Teknikken innebærer at et elektrisk signal påføres en elektrodearray, som skaper et gradient i det elektriske feltet. Dette gjør at partiklene kan samles på elektrodekanter, og man kan isolere nanopartikler med stor presisjon. Denne prosessen skjer raskt og krever relativt små mengder plasma, noe som gjør det mulig å bruke DEP i kliniske applikasjoner.

En av fordelene med DEP er at teknikken kan benyttes til å samle nanopartikler direkte fra plasma uten å måtte gjennomgå de vanlige utmattende prosessene som tidligere har vært forbundet med nanopartikkelisolering. Dette kan gjøre kreftdiagnostikk mer tilgjengelig, billigere og raskere, og dermed bidra til tidlig oppdagelse av kreft, noe som er avgjørende for pasientens prognose.

For at denne teknologien skal bli effektivt implementert i kliniske sammenhenger, er det imidlertid nødvendig å utvikle plattformteknologier som kan håndtere utfordringer relatert til nøyaktigheten av nanopartikkelisoleringen og opprettholde partikkelens integritet under prosesseringen. Nye tilnærminger må også vurdere hvordan man best kan isolere nanopartikler i klinisk relevant skala, samtidig som man opprettholder maksimal informasjonsverdi for videre biomarkørkarakterisering.

Dielektroforese som teknologi kan dermed spille en kritisk rolle i fremtidens diagnostiske verktøy, spesielt i ikke-invasiv krefttesting. Videre vil det være viktig å kombinere denne teknikken med andre molekylærbiologiske metoder, for eksempel PCR eller sekvensering av cell-fritt DNA, for å gi en mer detaljert og presis diagnose.

Hvordan DNA-metylering kan forbedre tidlig påvisning og behandling av lungekreft

Funnene fra Copenhagen City- og NLST-kohortene støtter sterkt hypotesen om at DNA-metylering kan brukes til å identifisere de som er mest sannsynlig å dra nytte av screening for lungekreft. Når disse dataene kombineres med nasjonal finansiering for å utvide undersøkelsene på et større utvalg, ser vi en fremtid der presisjonsmedisin kan bistå både pasienter og klinikere i beslutningsprosesser. Samtidig må vi erkjenne de eksisterende begrensningene ved dagens screeningmetoder, spesielt når det gjelder manglende diversitet i utvalget av pasienter og de nye alders- og røykhistorikk-kriteriene som ble introdusert i 2021.

Det første problemet som oppstår med de nåværende retningslinjene er at de har utvidet både alders- og røykehistorikk-kriteriene for lav-dose CT (LDCT)-screening, noe som strekker seg utover kriteriene som ble brukt i kohortene fra Copenhagen City og NLST-studien. Til tross for dette, viser analyser at aldersfaktor i seg selv ikke er uavhengig assosiert med risikoen for lungekreft når vi tar hensyn til cg05575921-metylering og røykhystorikk. Risikoen for lungekreft er derfor mer knyttet til biomarkøren cg05575921 og røykhistorikk enn alderen alene, og det er sannsynlig at denne nye innsikten vil kunne tilpasses til de nye retningslinjene som tar høyde for et lavere nivå av røyking (20 pakkeår). Den andre begrensningen ligger i mangelen på et tilstrekkelig mangfold i NLST-utvalget, noe som gjør at funnene i stor grad reflekterer en homogenous befolkning.

En løsning på dette er et prosjekt som nå er under utvikling, støttet av det nasjonale kreftinstituttet (R44CA285136), som tar sikte på å inkludere data fra ytterligere 6000 personer – blant annet 700 personer med ikke-hvite ancestrale bakgrunner. Dette prosjektet vil bidra til å gi et mer omfattende og representativt bilde av hvordan epigenetiske markører kan brukes for å forutsi risikoen for lungekreft på tvers av forskjellige populasjoner. Det er ventet at dette arbeidet vil være ferdigstilt i 2026.

Men spørsmålet som reises er: Er det andre måter DNA-metylering kan utnyttes i sammenheng med LDCT-screening? Et mulig svar kan være at epigenetiske vurderinger som cg05575921 kan spille en rolle i røykeavvenning. For mange pasienter er LDCT-screening en "læringsmulighet", et øyeblikk hvor klinikere og pasienter kan få bedre forståelse av helsefarene ved røyking og motivere til endringer i livsstil. Ved å bruke presisjonsmedisin gjennom epigenetiske vurderinger kan man også utvikle mer målrettede strategier for å hjelpe pasienter å slutte å røyke. Her kan metoder som kontingensstyring kombinert med DNA-metylering bidra til å forbedre røykeavvenningsprogrammer.

En annen potensiell anvendelse er å forbedre valget av noduler for biopsi. Til tross for de beste diagnostiske metodene, er LDCT-skjermbilder ofte preget av falske positiver. Cirka 30 % av alle LDCT-bilder viser minst én pulmonal nodule, og i NLST-studien ble 96 % av nodulene som ble valgt for biopsi, funnet å være benigne. Selv om det er vanlig at leger velger å biopsiere for å være på den sikre siden, innebærer beslutningen både økonomiske og helsemessige kostnader. I 2023 kostet bronkoskopi med transbronchial lungbiopsi i USA i gjennomsnitt 12 139 dollar, og dette utgjør bare en liten del av de faktiske kostnadene forbundet med biopsier, som kan være betydelig høyere når man inkluderer komplikasjoner. Ved å benytte epigenetiske metoder som cg05575921 kan vi potensielt redusere antallet unødvendige biopsier og dermed både kostnader og pasientbelastning.

En annen viktig utvikling er muligheten for å integrere epigenetiske data med genetiske vurderinger i algoritmer for å forutsi sannsynligheten for malignitet i nodule. Dette er ikke et nytt område, ettersom det allerede i 2014 ble introdusert metoder som kombinerte DNA-metylering, genetiske vurderinger og andre biomarkører for å forutsi sannsynligheten for tykktarmskreft. Det er derfor mulig at epigenetiske markører kan bidra til bedre seleksjon av noduler for biopsi. Dette kan gjøres ved å inkorporere DNA-metylering som en del av et Bayesian-basert system, eller ved å benytte maskinlæringsmetoder som kan inkludere både bildediagnostikk og genetiske data for å forutsi sannsynligheten for malignitet mer presist. Maskinlæringsteknologier har allerede blitt utviklet for å tolke LDCT-bilder, men disse kan potensielt forbedres ytterligere ved å integrere DNA-metylering og genetiske variasjoner i algoritmene.

Målet for fremtidige trender er å utvikle en robust metode som kan bistå klinikere og pasienter med mer informerte beslutninger om screening og behandling. Dette kan bidra til både å forbedre effektiviteten i tidlig påvisning og å redusere unødvendige inngrep og kostnader. Når vi kombinerer informasjon fra epigenetiske markører med genetiske data, kan vi oppnå en mer presis og målrettet tilnærming som kan gjøre screening for lungekreft mer nøyaktig og mindre ressurskrevende.