Phage-biosensors for urine-based cancer detection

Abstract

Detection and classification of cancer is challenging because current methods are often clinically ambiguous, expensive and/or laborious. Molecular tests have been developed over past decades but they lack accuracy, clinical applicability and are poorly scalable to population level screening. New methods are needed to meet the requirements of modern healthcare and to overcome challenges of cancer detection. Non-invasive sampling together with a novel detection method could enable affordable and scalable cancer detection.

In this work, phage-biosensors were developed to detect specific biomarkers and cancer from non-invasive urine samples. Phages can be used as bioreceptors in modern biosensors. They are robust, affordable, easily modifiable, and quick to produce in large amounts. In cancer detection, they were combined with chemical modulation of time-resolved fluorescence to enhance the detection sensitivity and accuracy. Phages were selected in a two-stage affinity selection and used in biosensors. Results were measured via optical detection with both time-resolved fluorescence and absorbance. Biosensors were developed towards model analytes and different cancers from urine. The biophysical properties of the biosensor method were studied with biomarkers to understand behaviour in the detection reaction.

Phage-biosensors detected lethal prostate cancer with sensitivity of 80% and specificity of 75% and metastatic cancer respectively with 70% sensitivity and 79% specificity. An infection indicator C-reactive protein (CRP) was detected at a clinically relevant area. Liquid Crystalline behaviour of the biosensor was studied in detection of Green Fluorescent Protein (GFP) with the limit of detection was 0.24 μg/ml.

The method is suitable for analyzing non-invasive samples, such as urine, and single biomarkers. The method may offer novel ways to detect cancer and target multiple biomarkers at once from non-invasive samples.

<b>Faagibiosensoreita virtsapohjaiseen syövän havaitsemiseen</b>

Syövän havaitseminen ja luokittelu on haastavaa nykymenetelmillä, koska ne ovat kalliita ja/tai työläitä ja tulokset ovat kliinisesti epäselviä. Molekulaarisia testejä on kehitetty vuosikymmeniä, mutta ne ovat epätarkkoja ja puutteellisia kliininen sovellettavuuden ja populaatiotason skaalattavuuden osalta. Tarvitaan uusia modernin terveydenhuollon vaatimuksia vastaavia menetelmiä, jotta voidaan ratkaista syövän havaitsemiseen liittyvät haasteet. Noninvasiiviset näytteet yhdessä uudenlaisten ilmaisumenetelmien kanssa voivat olla ratkaisu näihin haasteisiin. Bakteriofageja eli faageja käytetään bioreseptoreina moderneissa biosensoreissa ja ne ovat kestäviä, edullisia, helposti muokattavissa olevia sekä nopeita tuottaa suurissa määrissä.

Tässä työssä faagibiosensoreita kehitettiin havaitsemaan tiettyjä biomerkkiaineita sekä syöpää noninvasiivisista näytteistä. Syövän havaitsemisessa ne yhdistettiin aikaerotteisen fluoresenssin kemialliseen modulaatioon mittausten herkkyyden sekä tarkkuuden parantamiseksi. Biosensoreissa käytetyt faagit valittiin kaksivaiheisen affiniteettivalinnan kautta ja tulokset mitattiin optisilla havaitsemistekniikoilla eli aikaerotteisella fluoresenssilla ja absorbanssilla. Biosensorit kehitettiin mallimerkkiaineiden sekä syövän merkkiaineiden havaitsemiseen virtsanäytteistä. Biosensorin biofysikaalisia ominaisuuksia tutkittiin mallimerkkiaine GFP:n kanssa havaitsemisreaktion taustalla olevien biofysikaalisten ilmiöiden selvittämiseksi.

Faagibiosensorit havaitsivat tappavan eturauhassyövän 80% herkkyydellä ja 75% tarkkuudella, ja vastaavasti metastaattisen syövän 70% herkkyydellä ja 79% tarkkuudella. Infektiomerkkiaine C-reaktiivinen proteiini (CRP) havaittiin kliinisesti merkittävällä tasolla. Nestekidekäyttäytyminen todennettiin havaitsemalla vihreää fluoresoivaa proteiinia (GFP) (havaitsemisraja 0.24 μg/ml).

Menetelmä sopii noninvasiivisten virtsanäytteiden ja yksittäisten biomerkkiaineiden analysoimiseen. Menetelmä voi tarjota uuden tavan havaita syöpä ja useita biomerkkiaineita samanaikaisesti noninvasiivista näytteistä.