Sztuczny nos wykryje raka prostaty. Skuteczniejszy niż badanie PSA

Badanie PSA (oznaczenie antygenu raka prostaty) jest proste i szeroko dostępne, jednak jego wartość diagnostyczna jest ograniczona. Podwyższone stężenie PSA nie zawsze oznacza obecność raka. Wartości te mogą wzrastać również w przypadku łagodnego przerostu prostaty, stanów zapalnych czy innych niegroźnych schorzeń. W rezultacie wielu mężczyzn z nieprawidłowym wynikiem PSA zostaje skierowanych na inwazyjną biopsję, która wiąże się z ryzykiem powikłań, dyskomfortem i niepotrzebnym stresem.

Lekarze i pacjenci od lat poszukują więc bardziej precyzyjnych, a jednocześnie mniej inwazyjnych metod diagnostycznych. Naukowcy z Korei Południowej zaproponowali zupełnie nowe podejście do tego problemu. Zamiast polegać wyłącznie na oznaczeniu markerów we krwi, postanowili wykorzystać charakterystyczny zapach, jaki emitują komórki nowotworowe prostaty. Opracowali biosensor, który naśladuje działanie ludzkiego węchu i w połączeniu ze sztuczną inteligencją analizuje próbki moczu. Metoda ta może w przyszłości stać się cennym uzupełnieniem lub alternatywą dla tradycyjnego badania PSA.

Zespół badawczy i inspiracja projektu

Badanie zostało przeprowadzone przez interdyscyplinarny zespół złożony z urologów i specjalistów z zakresu biotechnologii oraz chemii sensorycznej. Kierownictwo projektu objęli profesor Koo Kyo-chul z Kliniki Urologii Szpitala Gangnam Severance Hospital należącego do Uniwersytetu Yonsei oraz profesor Park Tai-hyun z Wydziału Nauk o Żywieniu i Zarządzania Żywnością Uniwersytetu Kobiecego Ewha w Seulu. Połączenie kompetencji klinicznych z doświadczeniem w inżynierii molekularnej receptorów pozwoliło na stworzenie rozwiązania łączącego medycynę z nowoczesną biotechnologią.

Inspiracją dla całego projektu były wcześniejsze obserwacje, według których wyszkolone psy potrafią wykrywać raka prostaty na podstawie zapachu moczu pacjentów. Zwierzęta te reagowały na specyficzne lotne związki organiczne, które powstają w wyniku zmienionego metabolizmu komórek nowotworowych. Naukowcy postanowili przenieść ten naturalny mechanizm wykrywania zapachów do laboratorium, eliminując jednocześnie ograniczenia związane z pracą ze zwierzętami.

Zamiast polegać na węchu psów, badacze odtworzyli ludzki układ węchowy w formie sztucznego biosensora. Wykorzystali do tego białka receptorowe, które w organizmie człowieka odpowiadają za rozpoznawanie cząsteczek zapachowych. Receptory te osadzono w specjalnych strukturach lipidowych nazywanych nanodyskami. Dzięki temu możliwe stało się rejestrowanie interakcji między receptorami a substancjami obecnymi w moczu w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Jak działa biosensor węchowy

Sercem opracowanej platformy diagnostycznej jest zestaw sześciu wybranych ludzkich receptorów węchowych umieszczonych w nanodyskach lipidowych. Gdy mocz pacjenta zawiera charakterystyczne dla raka prostaty lotne związki organiczne, receptory wiążą się z tymi cząsteczkami. Wiązanie to wywołuje mierzalną zmianę sygnału fluorescencyjnego. Sygnały te są następnie rejestrowane przez urządzenie pomiarowe i przekazywane do algorytmów uczenia maszynowego.

Cały proces badania jest nieinwazyjny i polega wyłącznie na oddaniu próbki moczu. Nie wymaga pobierania krwi ani wykonywania biopsji na etapie wstępnej diagnostyki. Platforma została zaprojektowana w sposób modułowy, co oznacza, że w przyszłości będzie można ją rozbudowywać o dodatkowe receptory lub dostosowywać do wykrywania innych chorób, w których metabolizm komórek również generuje charakterystyczne lotne związki organiczne.

Zespół naukowców przeprowadził badania na starannie dobranej grupie pacjentów. W pierwszej fazie projektu przeanalizowano próbki moczu pochodzące od 40 mężczyzn z potwierdzonym rakiem prostaty oraz od 33 osób zdrowych. Na podstawie tych wstępnych wyników opracowano i przetestowano algorytmy uczenia maszynowego. Następnie badanie rozszerzono na znacznie większą grupę, obejmującą łącznie 290 próbek moczu. Taka skala pozwoliła na wiarygodną walidację metody i ocenę jej powtarzalności.

Krok w dobrą stronę

Istotną zaletą nowej metody jest jej zdolność do dostarczania informacji wykraczających poza to, co oferuje tradycyjne oznaczenie PSA. Naukowcy zaobserwowali, że wzorce odpowiedzi receptorów węchowych lepiej korelują ze stopniem złośliwości guza, określanym za pomocą skali Gleasona, niż poziom antygenu PSA we krwi. Oznacza to, że biosensor może nie tylko wykrywać obecność nowotworu, ale również dawać wstępne wskazówki dotyczące jego agresywności.

W przeciwieństwie do badania PSA, które często daje wyniki fałszywie dodatnie, nowa platforma opiera się na analizie wielu lotnych związków organicznych jednocześnie. Dzięki temu jest mniej podatna na zakłócenia wynikające z łagodnych schorzeń prostaty. Pacjenci z podwyższonym PSA, u których biosensor wskaże niskie prawdopodobieństwo raka, mogą w niektórych przypadkach uniknąć niepotrzebnej biopsji.

Profesor Koo Kyo-chul podkreślił, że metoda ta może stać się cennym narzędziem uzupełniającym istniejące procedury diagnostyczne. Pozwala ona na uzyskanie dodatkowych informacji o charakterze metabolicznym nowotworu, które nie są dostępne w standardowych badaniach krwi.