Zeci de milioane de nanoace ar putea înlocui biopsiile dureroase în cancer

Un studiu publicat recent în Nature Nanotechnology propune o metodă inovatoare pentru analizarea compoziției lipidice a țesuturilor vii în timp real, fără distrugerea probei, folosind nanoace (nanoneedles). Această tehnologie permite generarea de „replici moleculare” ale țesutului viu care pot fi analizate repetitiv pentru a urmări evoluția compoziției lipidice în timpul dezvoltării, progresiei bolii sau tratamentului. Lucrarea a fost aplicată în special pe gliom, un tip de tumoră cerebrală agresivă, unde dereglările lipidice au un rol patogen major.
Lipidomica spațială oferă informații esențiale despre arhitectura moleculară a țesuturilor și despre modul în care metabolismul lipidic este remodelat în procese fiziologice și patologice. Metodele actuale, bazate pe tăierea și procesarea invazivă a țesuturilor, nu permit analiza în timp a aceluiași specimen viu. În acest context, nanoacele – structuri verticale de siliciu poros cu vârfuri de ordinul nanometrilor – devin o soluție elegantă. Acestea pot extrage biomolecule (ARN, proteine, lipide) din celule sau țesuturi cu un impact minim, permițând analiza repetată fără compromiterea integrității biologice.

Despre studiu

Cercetătorii de la King’s College Londonau dezvoltat o metodă completă de lipidomică spațio-temporală, începând de la prelevarea de probe cu nanoace, până la analiza lipidică prin spectrometrie de masă cu desorbție electrospray ionizare (DESI-MSI). Metoda constă în:

• aplicarea nanoacelor pe țesuturi înghețate sau vii pentru a colecta o replică moleculară;
• analizarea replicii prin DESI-MSI pentru a genera hărți lipidice;
• compararea acestor hărți cu secțiunile tisulare adiacente;
• aplicarea unor metode statistice și algoritmi de învățare automată pentru clasificarea leziunilor și evaluarea răspunsului la tratament.

Rezultate

Validarea replicilor moleculare

Nanoace realizate din siliciu poros cu dimensiuni nanometrice au fost comparate cu alte substraturi (nanoace solide, straturi poroase continue). Cele mai bune rezultate au fost obținute cu nanoace poroase fără strat continuu, care au generat replici cu fidelitate ridicată atât în compoziția moleculară, cât și în distribuția spațială a lipidelor. Replicile colectate au prezentat o compoziție comparabilă cu secțiunile de țesut de referință în ceea ce privește ARN, proteine și lipide.

Cartografierea gliomului la șoarece

Analiza replicilor din creier de șoarece a permis discriminarea clară a materiei albe, materiei cenușii și a tumorii, pe baza distribuției a peste 30 de specii lipidice. De exemplu:

• SHexCer (m/z 888.62) a fost abundent în materia albă;
• PS 40:6 (m/z 834.53) a fost specific materiei cenușii;
• Ceramidele (m/z 736.65, 682.59) și PE 34:1 s-au acumulat în zonele tumorale.

Distribuția acestor lipide în replici a fost corelată strâns cu cea din secțiunile adiacente, confirmând capacitatea metodei de a cartografia precis structura și starea metabolică a țesutului.

Analiza biopsiilor de gliom uman

Replicile moleculare obținute din biopsii de gliom uman (HG) au permis identificarea a trei regiuni distincte:

• Țesut cerebral infiltrat (I),
• Tumoră propriu-zisă (T),
• Necroză tumorală (N).

Fiecare regiune a fost caracterizată de profiluri lipidice specifice:

• Cer 36:1 (m/z 600.51) pentru infiltrat,
• SHexCer 42:2 (m/z 888.62) pentru tumora activă,
• Cer 43:0 (m/z 680.54) pentru necroză.

Aceste diferențe au fost identificate și în replicile moleculare, nu doar în secțiunile histologice, subliniind fidelitatea replicilor în reflectarea heterogenității tumorale.

Predicția gradului tumoral cu învățare automată

Aplicarea algoritmilor de clasificare (logistic regression, XGBoost etc.) pe datele DESI-MSI din replici și secțiuni a permis prezicerea cu acuratețe a gradului tumoral. Modelele antrenate pe replici au prezis corect gradul și în secțiuni (și invers), cu AUC de până la 0,79, confirmând că replicile pot substitui secțiunile în analizele predictive.

Printre cei mai predictivi markeri s-au numărat:

• PE 40:6 și PS 40:6 – asociați cu tumori de grad scăzut;
• PI 38:4 și PS 36:1 – asociați cu tumori de grad înalt.

Studiu longitudinal pe țesut viu

Cea mai inovatoare parte a studiului a fost folosirea replicilor pentru urmărirea în timp a răspunsului la tratament. Mostre de creier de șoarece cu gliom au fost tratate cu temozolomid (TMZ) și monitorizate pe parcursul a 5 zile prin colectarea de replici la mai multe momente.

Rezultatele au arătat:

• o reducere semnificativă a volumului tumoral doar în eșantioanele tratate;
• modificări semnificative în compoziția lipidică, cu scăderea a 58% din lipidele detectate în tumori tratate;
• dispariția semnalului pentru PS 29:0 (m/z 692.45) în toate mostrele tratate, sugerând potențialul său ca marker de eficacitate terapeutică.

Concluzii

Studiul demonstrează că nanoacele din siliciu poros pot fi folosite pentru a obține replici moleculare de înaltă fidelitate ale țesuturilor vii, permițând:

• analiza lipidomică nedistructivă,
• urmărirea în timp a modificărilor metabolice în cadrul aceleiași probe,
• cartografierea precisă a tumorilor și a microarhitecturii cerebrale,
• predicția gradului de malignitate,
• evaluarea efectului tratamentelor anticancerigene.

Această metodă deschide calea spre monitorizarea in vivo a stării metabolice a țesuturilor, cu aplicații în diagnostic, chirurgie intraoperatorie, și urmărirea răspunsului terapeutic în timp real. Integrarea cu dispozitive medicale și extinderea către alte tipuri de țesuturi sau analize multi-omice reprezintă pașii următori spre o adevărată „hartă moleculară” vie a organismului.