Nuova scoperta nello screening precoce del cancro: "L'amo da pesca molecolare" cattura "segnali invisibili"

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Wang Tingting, Miao Peng (Istituto di ingegneria e tecnologia biomedica di Suzhou, Accademia cinese delle scienze)

Produttore: China Science Expo

Nota dell'editore: per svelare il mistero del lavoro scientifico e tecnologico, il progetto tecnologico d'avanguardia cinese ha lanciato una serie di articoli intitolata "Io e la mia ricerca", invitando gli scienziati a scrivere i propri articoli, condividere le proprie esperienze di ricerca scientifica e creare un mondo scientifico. Seguiamo gli esploratori all'avanguardia della scienza e della tecnologia e intraprendiamo un viaggio pieno di passione, sfide e sorprese.

Negli ultimi anni, a causa di fattori quali la dieta, l'ambiente e l'invecchiamento della popolazione, l'incidenza globale del cancro ha continuato ad aumentare e il cancro è gradualmente diventato la principale causa di morte nella vita delle persone. Di recente, il National Cancer Center ha pubblicato il National Cancer Report 2024, che fornisce le ultime statistiche sui nuovi casi di cancro e sui tassi di mortalità in Cina nel 2022.

I dati dell'indagine mostrano che nel 2022 il numero di nuovi casi di cancro in Cina sarà di circa 4,8247 milioni, mentre il numero di nuovi casi di cancro sarà di circa 2,5742 milioni. I primi cinque tumori di nuova diagnosi sono il tumore ai polmoni, il tumore del colon-retto, il tumore alla tiroide, il tumore al fegato e il tumore gastrico.

Anti-cancro

(Fonte immagine: pixabay)

La chiave per prevenire il cancro è la diagnosi precoce e il trattamento precoce

Leggere questi dati fa rabbrividire! Ciò che è ancora più spaventoso è che alcuni dei primi segnali del cancro sono sintomi evidenti come congestione nasale, secrezione nasale sanguinolenta, sanguinamenti dal naso, tinnito, dolore alle orecchie, febbre bassa persistente e inspiegabile, noduli anomali e ulcere che non guariscono.

Tuttavia, la maggior parte dei tumori non presenta sintomi evidenti nelle fasi iniziali e la progressione del cancro è spesso molto rapida. Se si aspetta che compaiano i sintomi prima di cercare assistenza medica, il cancro potrebbe essere già arrivato a uno stadio avanzato, in cui il trattamento diventa molto più difficile e complicato.

Se riusciamo a diagnosticare il cancro nelle sue fasi iniziali, possiamo curarlo completamente attraverso metodi come la chirurgia. Pertanto, la misura più critica per prevenire il cancro è “la diagnosi precoce e il trattamento precoce”.

I metodi più comuni per lo screening precoce del cancro includono raggi X, ultrasuoni, gastroscopia, colonscopia, ecc. Tuttavia, questi metodi non solo causano molto dolore ai soggetti, ma presentano anche degli svantaggi, come bassa sensibilità, tempi lunghi e prezzi elevati.

Esiste quindi un metodo efficace e sensibile per rilevare se una persona ha il cancro?

I miRNA possono essere utilizzati come "segnale invisibile" per lo screening precoce del cancro

Qui dobbiamo introdurre il termine "miRNA", noto anche come microRNA, che è un acido nucleico molto piccolo. Il premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2024 sarà assegnato a Victor Ambros e Gary Ruvkun per le loro scoperte sui miRNA e sul loro ruolo nella regolazione genica post-trascrizionale.

Molti di voi si chiederanno cosa sono i miRNA? Qual è la sua funzione e cosa può fare? Perché gli viene conferito un onore così grande?

Sappiamo tutti che gli esseri umani sono animali evoluti, capaci di linguaggio, pensiero e cognizione, ma il numero di geni tra gli esseri umani e le anatre, le mosche e persino le banane è simile ! Molti amici potrebbero rimanere scioccati. Cosa causa una differenza così grande? La maggior parte di questi sono dovuti ai miRNA.

Ogni gene di un organismo è come una torcia in una stanza che può essere accesa e spenta e di cui è possibile regolare l'intensità luminosa. Sebbene il numero di flash sia lo stesso, diverse condizioni di illuminazione e diversi livelli di luce daranno luogo a diversi livelli di luminosità nella stanza. Le differenze tra le specie sono simili in questo senso. I miRNA svolgono il ruolo di interruttore genico, controllando l'espressione di geni specifici. Ogni cellula del nostro corpo svolge le sue funzioni e i microRNA non fanno eccezione.

Il miRNA è presente in ogni cellula e può circolare stabilmente nel sangue. Sono la fonte dei segnali di salute nel corpo. Se il nostro corpo viene danneggiato da un'infezione batterica, da un'invasione virale, ecc., il livello di miRNA cambierà in modo significativo per informarci del pericolo. Soprattutto nella prevenzione del cancro, finché riceviamo segnali anomali dai miRNA, possiamo prevedere il rischio un passo avanti prima che la malattia si manifesti.

Progettare un "gancio molecolare" per catturare i "segnali invisibili" del cancro

Come possiamo quindi conoscere con precisione la relazione tra i segnali emessi dai miRNA e specifiche malattie?

Dobbiamo sviluppare un sistema di rilevamento flessibile, efficiente e preciso.

Il nostro team (il gruppo di Miao Peng presso l'Istituto di ingegneria biomedica di Suzhou, Accademia cinese delle scienze) è impegnato da molti anni nel rilevamento dei miRNA correlati al cancro. Attraverso una ricerca dettagliata sulla struttura degli acidi nucleici, abbiamo progettato in modo intelligente un "gancio molecolare", ovvero la "nanostruttura a tronco di cono del DNA", in grado di catturare in modo sensibile e rapido la molecola preda del "segnale invisibile", il miRNA, del cancro.

Qui dobbiamo introdurre il concetto di "nano". Se un capello viene tagliato lungo il suo diametro e poi diviso in 100.000 parti, il diametro di ogni nuovo capello è di 1 nanometro. Per questo motivo, le nanostrutture del DNA sono molto piccole e possono fluire liberamente in molti scenari all'interno del corpo.

Quindi, come vengono assemblate le strutture troncate di cono di DNA su scala nanometrica?

La maggior parte dei bambini ha giocato con il gioco di costruzioni Lego, in cui si costruiscono diversi modelli geometrici combinando blocchi di forme diverse con metodi di assemblaggio diversi. L'assemblaggio dei coni troncati del DNA è simile a questo principio. Dobbiamo progettare diverse molecole di DNA per sostituire i vari elementi costitutivi e formare la struttura spaziale del cono tronco secondo determinate regole.

Il processo di "gancio molecolare" che cattura il "segnale invisibile"

(Fonte dell'immagine: Riferimento 2)

Per prima cosa abbiamo assemblato un triangolo di DNA utilizzando quattro catene (TPF1, TPF2, TPF3, TPF4) e lo abbiamo fissato sulla superficie di un elettrodo d'oro. Tra queste, le tre catene TPF1, TPF2 e TPF3 portano tutte un'etichetta di gruppo chiamata DBCO. Disponiamo anche di una catena speciale (TPF5) che funge da catena "esca" per catturare i miRNA "preda". La sua regione specifica può legarsi alle tre catene TPF1, TPF2 e TPF3, sigillando così il gruppo DBCO nel cono troncato del "gancio molecolare".

Poiché TPF5 ha un'affinità di legame più forte con i miRNA, i miRNA si legheranno preferibilmente a TPF5. Pertanto, quando appare il miRNA "preda", TPF5 agisce come "esca".

Quando l'esca TPF5 si lega al miRNA della preda, la parte superiore del cono troncato originariamente chiuso si apre e torna a formare una struttura triangolare aperta. A questo punto, ci sarà una nucleasi specifica a doppio filamento chiamata DSN, che è come un paio di forbici in grado di tagliare le catene ibride legate di TPF5 e miRNA, consentendo al miRNA di "riconquistare la libertà". In questo modo, il miRNA "preda" rilasciato può legarsi nuovamente all'"esca" TPF5 su un altro tronco, catturando così più TPF5.

Dopo molti cicli, quasi tutti i coni tronchi diventano strutture triangolari aperte. A questo punto, il miRNA "preda" ha catturato anche una quantità sufficiente di "esca". Se si perde una quantità eccessiva di "esca" TPF5, le catene con tag DBCO (TPF1, TPF2, TPF3) saranno esposte. In questo momento, si combineranno con un'altra catena di sonda P1 con un gruppo N3 a un'estremità, formando così una speciale struttura a forcina sulla superficie dell'elettrodo d'oro.

Poiché l'altra estremità della catena P1 della sonda trasporta la molecola segnale ferrocene, possiamo osservare cambiamenti significativi nel picco di corrente attraverso la piattaforma di lavoro elettrochimica. All'aumentare della concentrazione di miRNA, il picco della curva attuale diventerà sempre più alto.

Al contrario, quando il miRNA non è presente, il gruppo DBCO è racchiuso nel cono troncato, la catena TPF non può legarsi alla catena P1, la struttura a forcina non può essere formata sulla superficie dell'elettrodo e non si può osservare alcun picco evidente nella curva voltammetrica. In questo modo possiamo determinare indirettamente il contenuto del miRNA "segnale invisibile" misurando il valore di picco della curva, prevedendo così in anticipo la malattia.

Questa strategia che prevede l'uso di "ganci molecolari" per catturare i "segnali invisibili" del cancro è avanzata nella concezione e ingegnosa nella progettazione e può aiutare a rilevare una varietà di lesioni precancerose ad alto rischio in una fase precoce.

In futuro si prevede che i "ganci molecolari" saranno utilizzati nello screening precoce del cancro clinico

Il cono tronco, che funge da "gancio molecolare", è assemblato da catene di acidi nucleici presenti nel corpo umano e presenta un'elevata biocompatibilità; si prevede che verrà utilizzato nella pratica clinica. Durante il test, è sufficiente prelevare una piccola quantità di siero dalla persona sottoposta al test e attendere 30 minuti affinché la reazione dia il risultato. Se il valore del miRNA supera l'intervallo standard, significa che la persona sottoposta al test potrebbe essere a rischio di cancro e dovrebbe recarsi in ospedale per ulteriori esami in tempo utile per raggiungere l'obiettivo di una diagnosi precoce, di un trattamento precoce e di un rapido recupero della salute.

La vita è sconosciuta, ma possiamo usare il potere della tecnologia per “individuare” i rischi in anticipo e intervenire il prima possibile. Invece di aver paura del cancro, è meglio prevenirlo prima che si manifesti. Agiamo insieme e tifiamo per la nostra salute!

Riferimenti:

(1)Han, BF; Zheng, RS; Zeng, Sua Maestà; Francesco, Amministratore Delegato; Sole, Kansas; Francesco, R.; Li, L.; Francesco Wei Lui, J. Incidenza e mortalità del cancro in Cina, 2022. Journal of the National Cancer Center 2024, 4, 47-53.

(2)Wang, TT; Paolo, XY; Francesco, H.; Miao, P. Disintegrazione della nanostruttura del DNA mediante legatura SPAAC per la biosensoristica elettrochimica. Nano Lettere 2024, 24, 12233-12238.

(3)Lee, RC; Dott. Feinbaum, RL; Ambros, V. Il gene eterocronico Lin-4 di C. Elegans codifica piccoli RNA con complementarietà antisenso con Lin-14. Cellula 1993, 75, 843-854.