Nanotecnologia de DNA desvenda interações complexas de proteínas para informar diagnósticos de câncer

Uma equipe de pesquisadores do Instituto NUS de Inovação e Tecnologia em Saúde (iHealthtech), liderada pelo Professor Associado Shao Huilin e pelo Professor Associado Brian Lim, desenvolveu uma tecnologia inédita para mapear diversas interações de proteínas em células usando códigos de barras de DNA. .

A tecnologia, batizada de TETRIS, pode identificar e quantificar explicitamente múltiplos parceiros de interação em grandes proteína assembléias. Ao capturar a complexa hierarquia de interações proteicas dentro das células tumorais, a tecnologia revela mecanismos moleculares detalhados que impulsionam progressão da doença. Isso permite diagnósticos mais precisos, permitindo a subtipagem precisa dos cânceres e a identificação de formas agressivas da doença em apenas algumas horas, o que não period possível anteriormente.

Além disso, o TETRIS fornece informações vitais a partir das quais os médicos podem adaptar estratégias terapêuticas a pacientes individuais. Por exemplo, identificar as proteínas específicas e as suas interações que contribuem para o crescimento do cancro pode levar a terapias direcionadas que melhoram os resultados dos pacientes.

As descobertas da equipe foram publicadas em Engenharia Biomédica da Natureza em 19 de junho de 2024. Os primeiros autores do estudo são o Dr. Liu Yu e o Dr. Ambos são pesquisadores da NUS iHealthtech.

Desmascarando células cancerígenas insidiosas

As proteínas são responsáveis ​​por quase todos os processos básicos da vida. Compreender como esses blocos de construção da vida interagem entre si é uma faceta crítica da biologia e da medicina.

Na verdade, as proteínas interagem extensivamente umas com as outras para conduzir funções e atividades importantes na saúde e na doença – decifrar estas interações pode não só levar a melhores previsões do comportamento celular, mas também ter aplicações clínicas abrangentes, desde melhores diagnósticos de doenças até ao desenvolvimento de soluções mais eficazes. estratégias terapêuticas.

Os métodos atuais para estudar essas interações, no entanto, apresentam limitações como resultados falsos e perfis incompletos de interações proteicas, entre outras.

A abordagem padrão-ouro – ensaios híbridos de levedura e dois – requer manipulação genética e é limitada a interações binárias entre pares, tornando-a inadequada para amostras clínicas. Outro método comum – proteômica baseada em espectrometria de massa – muitas vezes perde interações fracas devido ao extenso processamento de amostras e permanece binário em sua avaliação.

Em suma, estes métodos não conseguem capturar todo o espectro de interações proteicas, particularmente as de ordem superior, onde múltiplas proteínas interagem para formar grandes conjuntos funcionais; mudanças nas interações proteicas de ordem superior estão frequentemente associadas a tipos de câncer mais agressivos.

Os pesquisadores da NUS recorreram à nanotecnologia do DNA em busca de uma solução.

“O DNA é um materials programável e pode ser usado para codificar informações ricas e ao mesmo tempo ter interações previsíveis, o que nos permite criar arquiteturas sofisticadas com controle espacial preciso em escala nanométrica”, disse Assoc Prof Shao, que liderou o projeto do TETRIS. Ela também é do Departamento de Engenharia Biomédica da Faculdade de Design e Engenharia da NUS.

Aproveitando as vantagens da nanotecnologia do DNA, o TETRIS aproveita estruturas moleculares híbridas como codificadores inteligentes para mapear interações proteicas diretamente em amostras de pacientes. Cada codificador carrega um anticorpo que reconhece o alvo e um código de barras modelo de DNA.

Em ação, os codificadores não apenas se ligam a proteínas em interação, mas também têm seus códigos de barras fundidos bilateralmente com os de suas unidades vizinhas. Os códigos de barras resultantes capturam assim todas as informações – identidade molecular e relação espacial – e podem ser usados ​​para decodificar extensas interações proteicas.

Ao contrário dos métodos atuais, o TETRIS mede interações proteicas entre pares e de ordem superior, fornecendo assim uma imagem abrangente do complexo interatoma proteico.

“Pense nas proteínas como delegados em uma conferência científica. Cada delegado identifica um crachá com um código de barras exclusivo. Quando eles interagem ou ‘apertam as mãos’, o TETRIS captura essas interações vinculando seus códigos de barras”, disse Assoc Prof Lim, que liderou o desenvolvimento de algoritmos utilizados para processar os dados coletados pelo TETRIS.

“Isso cria uma cadeia de interações que podemos posteriormente ler e decodificar por meio de algoritmos. Assim como ver quem está conversando com quem na conferência, o TETRIS nos permite ver como as proteínas interagem dentro das células, fornecendo-nos uma lente através da qual podemos entender e diagnosticar doenças de forma mais eficaz.”

Assoc Prof Lim também é do Departamento de Ciência da Computação da NUS Faculty of Computing.

Uma característica marcante do TETRIS reside na sua capacidade de realizar codificação e decodificação no native de interações proteicas diretamente em amostras clínicas. A tecnologia foi testada em biópsias de tecidos de câncer de mama humano, a partir das quais diagnosticou com precisão subtipos de câncer e revelou interações proteicas de ordem superior associadas à agressividade do câncer.

Transformando o futuro dos cuidados de saúde

O TETRIS fornece uma imagem mais detalhada e precisa das bases moleculares das doenças – uma vantagem para Câncer diagnósticos e tratamentos. Mudanças nas interações proteicas de ordem superior, que são características dos cânceres agressivos, podem ser detectadas mais facilmente, levando assim a decisões clínicas mais informadas e personalizadas.

Além disso, o TETRIS foi projetado tendo em mente a escalabilidade e a adaptabilidade. A tecnologia pode processar um grande número de amostras e gerar resultados rapidamente utilizando a infraestrutura laboratorial existente, permitindo que seja integrada em fluxos de trabalho clínicos de rotina com interrupção mínima.

Por exemplo, a tecnologia pode ser usada em consultórios médicos, onde amostras obtidas por aspiração com agulha fina – uma biópsia mais segura e minimamente invasiva – podem ser rapidamente analisadas para informar decisões de tratamento.

Os investigadores do NUS planeiam expandir a aplicação do TETRIS a outros tipos de cancros e doenças neurológicas, abrindo potencialmente o caminho para novas ferramentas de diagnóstico e intervenções terapêuticas num amplo espectro de doenças.

A equipe registrou duas patentes para a tecnologia e espera comercializar a inovação.