PCA3 Responsive Molecular Imaging Enables Spatial Visualization of Prostate Cancer

Immaginate un chirurgo in piedi sopra un paziente, che cerca di rimuovere un tumore canceroso dalla prostata. L'obiettivo è tagliare via ogni singola cellula cancerosa lasciando intatto il tessuto sano, ma l'occhio umano non può vedere il confine invisibile tra i due. In molti casi, le cellule cancerose appaiono identiche a quelle sane al microscopio, e spesso si nascondono nei margini del tessuto. Per risolvere questo problema, i medici si sono affidati da tempo a tecnologie di imaging che agiscono come una torcia, illuminando il tumore in modo che il chirurgo possa vedere esattamente dove tagliare. Tuttavia, le torce attuali hanno dei limiti: spesso illuminano per errore anche il tessuto sano, oppure si affidano a marcatori superficiali che alcuni tumori semplicemente non indossano. E se, invece di cercare un'etichetta superficiale, il chirurgo potesse usare una sonda che si illumina solo quando trova un messaggio genetico specifico nascosto proprio all'interno della cellula cancerosa?

Questa è la sfida che i ricercatori dell'Ospedale Universitario RWTH Aachen e del Forschungszentrum Jülich hanno deciso di affrontare. Hanno sviluppato un nuovo tipo di strumento di imaging molecolare progettato per trovare il tumore alla prostata ascoltando un particolare sussurro genetico all'interno delle cellule. Lo strumento si chiama CaS-DNA, un minuscolo filamento di DNA ingegnerizzato che agisce come un interruttore molecolare. È costruito per riconoscere PCA3, un lungo pezzo di materiale genetico che viene prodotto in grandi quantità dalle cellule del tumore alla prostata, ma che è quasi del tutto assente in quelle sane. I ricercatori volevano sapere se potevano trasformare questo segnale genetico interno in una luce visibile che un chirurgo potesse vedere durante un intervento, offrendo un modo per distinguere il cancro dal tessuto sano con alta precisione.

Il team ha iniziato progettando la sonda CaS-DNA affinché rimanesse silenziosa finché non trovasse il suo bersaglio. Nel suo stato di riposo, la sonda è ripiegata in un anello stretto, con una sostanza chimica che emette luce attaccata a un'estremità e una sostanza chimica che spegne la luce (quencher) attaccata all'altra. Queste due sostanze sono così vicine tra loro che la luce viene completamente soppressa, rendendo la sonda invisibile. L'anello del DNA è modellato per incastrarsi perfettamente con il messaggio genetico PCA3, proprio come una chiave si adatta a una serratura specifica. Quando la sonda entra in una cellula ed incontra il messaggio PCA3, si lega ad esso. Questo legame costringe il DNA a srotolarsi, allontanando la sostanza chimica che emette luce dal quencher. Una volta separate, la sostanza chimica che emette luce, nota come indocianina verde, inizia a brillare con un segnale nel vicino infrarosso che può essere rilevato da telecamere speciali.

Per testare se questo meccanismo funzionasse, i ricercatori hanno prima osservato il fenomeno in un semplice ambiente di laboratorio. Hanno mescolato la sonda CaS-DNA con il bersaglio genetico specifico e hanno osservato cosa accadeva. La sonda si è legata al bersaglio rapidamente e la luce si è accesa entro pochi minuti. Fondamentalmente, quando hanno mescolato la sonda con una sequenza genetica rimescolata e non corrispondente, non è successo nulla; la luce è rimasta spenta. Ciò ha dimostato che la sonda non stava reagendo a qualsiasi materiale genetico, ma era sintonizzata specificamente per trovare il messaggio PCA3. Hanno anche controllato quanto fosse stabile la sonda a diverse temperature e hanno scoperto che rimaneva funzionale in un ampio intervallo di condizioni, suggerendo che potrebbe sopravvivere all'ambiente all'interno di un corpo umano.

Successivamente, i ricercatori si sono spostati su cellule viventi per vedere se la sonda potesse trovare cellule cancerose tra quelle sane. Hanno fatto crescere cellule di tumore alla prostata in una piastra, confrontandole con cellule della prostata sane e cellule ossee. Le cellule cancerose, che producono naturalmente alti livelli del messaggio PCA3, si sono illuminate intensamente dopo il trattamento con la sonda. Le cellule sane, che producono pochissimo o nessun PCA3, sono rimaste al buio. La luminosità della luce corrispondeva direttamente alla quantità di PCA3 prodotta dalle cellule. In esperimenti in cui cellule cancerose e cellule sane venivano coltivate fianco a fianco, la sonda ha evidenziato con successo solo le cellule cancerose, lasciando i vicini sani al buio. Ciò ha dimostrato che la sonda poteva distinguere tra i due tipi di tessuto basandosi interamente sulla loro attività genetica interna, piuttosto che fare affidamento su caratteristiche superficiali che potrebbero essere mancanti o inconsistenti.

Per vedere se questo funzionasse in un organismo vivente, il team ha utilizzato larve di zebrafish, un modello comune per studiare i processi biologici. Hanno iniettato cellule cancerose nelle larve e poi hanno introdotto la sonda Ca parte del CaS-DNA. Nel corso di un'ora, la sonda ha viaggiato attraverso il pesce e si è illuminata specificamente nelle aree in cui le cellule cancerose si erano stabilite. Le parti sane del pesce sono rimaste al buio. Ciò ha confermato che la sonda poteva trovare il suo bersaglio e attivare il suo segnale luminoso anche all'interno di un sistema vivente complesso, senza essere attivata dai tessuti sani circostanti.

Il test più significativo, tuttavia, ha avuto luogo con vero tessuto umano. I ricercatori hanno ottenuto campioni di tessuto prostatico rimossi chirurgicamente da pazienti. Hanno tagliato questi tessuti e li hanno trattati con la sonda CaS-DNA. Dopo che la sonda ha avuto il tempo di agire, hanno confrontato le aree luminose con le mappe mediche standard di dove si trovava il cancro, che erano state tracciate dai patologi dopo aver colorato il tessuto con coloranti tradizionali. La luce brillante proveniente dalla sonda corrispondeva alle regioni cancerose con un alto grado di precisiona. In effetti, la sonda copriva una quantità di area tumorale simile a uno standard clinico ampiamente utilizzato che punta a una proteina diversa chiamata PSMA. Questa è stata una scoperta fondamentale perché ha dimostrato che guardare all'interno della cellula per un messaggio genetico poteva essere efficace quanto cercare proteine superficiali, anche nel complesso ambiente di un vero tumore umano.

Per comprendere i dettagli di questa corrispondenza, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica potente chiamata trascrittomica spaziale, che mappa esattamente quali geni sono attivi in ogni minuscola zona del tessuto. Hanno scoperto che le aree in cui la sonda CaS-DNA brillava corrispondevano alle aree in cui i geni associati al cancro erano più attivi. Nelle regioni in cui le cellule cancerose erano mescolate con cellule sane, la luminosità della luce variava. La sonda brillava meno intensamente nelle aree in cui c'erano meno cellule cancerose, suggerendo che l'intensità della luce potesse dire al chirurgo non solo dove si trova il cancro, ma quanto ce n'è. Questo livello di dettaglio è qualcosa che molti strumenti di imaging attuali faticano a fornire.

Lo studio ha anche esaminato i limiti di questo nuovo approccio. Sebbene la sonda funzionasse bene al centro del tessuto, si sono verificati alcuni casi in cui si illuminava leggermente ai bordi estremi delle fette di tessuto. I ricercatori hanno notato che ciò potrebbe accadere perché i bordi del tessuto sono più fragili e la sonda potrebbe reagire all'ambiente circostante piuttosto che al cancro stesso. Hanno anche osservato che la sonda non illuminava ogni singola cellula cancerosa in ogni campione, il che suggerisce che far arrivare la sonda in ogni cella sia una sfida che deve ancora essere risolta. Nonostante questi ostacoli, i risultati hanno mostrato che la sonda poteva trovare il cancro nella stragrande maggioranza dei casi.

I ricercatori hanno concluso che questo metodo offre un nuovo modo per visualizzare il tumore alla prostata. Trasformando un messaggio genetico specifico in una luce visibile, hanno creato uno strumento che è altamente specifico per le cellule cancerose stesse. Questo approccio non dipende dal fatto che le cellule cancerose abbiano una specifica proteina superficiale, che è un limite per alcuni trattamenti attuali. Inveve, utilizza il proprio macchinario interno della cellula per segnalarne la presenza. La luce utilizzata nella sonda è una sostanza chimica già approvata per l'uso negli esseri umani, il che significa che potrebbe potenzialmente essere adattata per l'uso nelle sale operatorie relativamente in fretta. Se questa tecnologia potrà essere perfezionata per garantire che la sonda raggiunga ogni cellula e rimanga stabile durante l'intervento, potrebbe dare ai chirurghi una visione molto più chiara del tumore, aiutandoli a rimuovere tutto il cancro preservando il maggior numero possibile di tessuto sano. Il lavoro rappresenta un passaggio dal guardare ciò che è sulla parte esterna di una cella al dare ascolto a ciò che sta accadendo all'interno, offrendo un nuovo tipo di chiarezza per uno dei tumori più comuni negli uomini.