Prueba de biomarcadores de orina sintéticos multianalito mediada por CRISPR-Cas para diagnósticos portátiles

Resumen

Este protocolo describe una prueba de biomarcadores de orina sintética multianalito mediada por CRISPR-Cas que permite el diagnóstico del cáncer en el punto de atención a través del análisis ex vivo de las actividades de la proteasa asociadas al tumor.

Resumen

La creación de biomarcadores sintéticos para el desarrollo de diagnósticos de precisión ha permitido la detección de enfermedades a través de vías más allá de las utilizadas para las mediciones tradicionales de biofluidos. Los biomarcadores sintéticos generalmente hacen uso de reporteros que proporcionan señales legibles en el biofluido para reflejar las alteraciones bioquímicas en el microambiente local de la enfermedad durante la incidencia y progresión de la enfermedad. La concentración farmacocinética de los reporteros y la amplificación bioquímica de la señal de la enfermedad son primordiales para lograr una alta sensibilidad y especificidad en una prueba diagnóstica. Aquí, se construye una plataforma de diagnóstico de cáncer utilizando un formato de biomarcadores sintéticos: nanosensores basados en la actividad que llevan reporteros de ADN estabilizados químicamente que pueden ser liberados por firmas proteolíticas aberrantes en el microambiente tumoral. El ADN sintético como indicador de enfermedades ofrece la capacidad de multiplexación a través de su uso como código de barras, lo que permite la lectura de múltiples firmas proteolíticas a la vez. Los reporteros de ADN liberados en la orina se detectan utilizando nucleasas CRISPR a través de hibridación con ARN CRISPR, que a su vez producen una señal fluorescente o colorimétrica tras la activación enzimática. En este protocolo, se construyen nanosensores basados en la actividad y con código de barras de ADN, y su aplicación se ejemplifica en un modelo de ratón preclínico de cáncer colorrectal metastásico. Este sistema es altamente modificable de acuerdo con la biología de la enfermedad y genera múltiples señales de enfermedad simultáneamente, lo que permite una comprensión integral de las características de la enfermedad a través de un proceso mínimamente invasivo que solo requiere la administración de nanosensores, recolección de orina y una prueba en papel que permite el diagnóstico en el punto de atención.

Introducción

A pesar del importante esfuerzo realizado para identificar biomarcadores tumorales, como las proteínas de excreción y el ADN, el campo del diagnóstico del cáncer se ha visto afectado por su baja abundancia o rápida degradación^{en la} circulación. Como estrategia complementaria, los biomarcadores sintéticos de bioingeniería que responden selectivamente a las características de la enfermedad para generar señales amplificadas representan nuevas vías hacia diagnósticos precisos y accesibles ^2,3. Para ayudar a la detección, estos biomarcadores sintéticos aprovechan los mecanismos de activación....

Protocolo

Todos los estudios en animales son aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC, por sus siglas en inglés) de la institución de los autores. Para llevar a cabo correctamente estos experimentos, se requieren instalaciones estándar para el cuidado de animales, incluidas cámaras de alojamiento, capuchas estériles, anestesia y eutanasia ética de punto final. Todos los experimentos se llevan a cabo de acuerdo con las directrices institucionales y nacionales y son supervisados por el personal veterinario de la institución. Los ratones hembra BALB/c, utilizados para los experimentos, se obtienen de una fuente comercial (ver Tabla de Mater....

Discusión

Aquí se presenta una plataforma altamente personalizable para la detección multiplexada del cáncer con una prueba de orina portátil que evalúa la actividad proteolítica asociada a la enfermedad mediante un sensor inyectado mínimamente invasivo. Cuando es activada por las proteasas tumorales, la escisión del sustrato peptídico se amplifica a través de la liberación de códigos de barras de ADN en la orina. Los reporteros de ADN sintético en una muestra de orina se pueden leer mediante una amplificaci?.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
10x NEB Buffer 2.1	New England Biolabs	B6002SVIAL
20-mer phosphorothioated DNA reporters with 3’-DBCO group	IDT		Custom DNA
Agilent 1100 High Performance Liquid Chromatography system with Vydac 214TP510 C4 column	Agilent		HPLC
ÄKTA fast protein liquid chromatography (FPLC)	GE Healthcare		FPLC
Amicon ultracentrifuge tubes (MWCO = 10 kDa)	EMD millipore		Various volumes available
Azide-terminated PAPs with C-terminus cysteine	CPC Scientific		Custom peptide
crRNAs	IDT		See Supplementary Table 1
Cryogenic transmission electron microscopy	JEM-2100F	JEOL	cyroTEM
Cysteine terminated DNA-peptide conjugates	CPC Scientific		Custom peptide
Dynamic light scattering (DLS)			DLS
EnGen LbaCas12a (Cpf1), 100 µM	New England Biolabs	M0653T
Experimental animals	Taconic Biosciences	BALB/cAnNTac	6–8 weeks of age
gentleMACS C tubes	Miltenyi Biotec	130-093-237	tissue homogenization
HybriDetect Universal Lateral Flow Assay Kit	Miltenyi Biotec	MGHD 1
Matrix-assisted laser desorption/ionization–time of flight (MALDI–TOF) mass spectrometry	Bruker		Microflex MALDI–TOF
MC26-Fluc cell line			Kenneth K. Tanabe Laboratory, Massachusetts General Hospital
multivalent PEG (40 kDA, 8-arm) with maleimide-reactive group	JenKem	A10020-1 / 8ARM(TP)-MAL-40K,1 g
Python, Version 3.9			https://www.python.org/
Quant-iT OliGreen ssDNA Assay Kit and Quant-iT OliGreen ssDNA Reagent	Invitrogen	O11492	ssDNA assay kit
ssDNA FAM-T10-Quencher and  FAM-T10-Biotin reporter substrates	IDT		Custom DNA
Superdex 200 Increase 10/300 GL column	GE Healthcare	GE28-9909-44	For FPLC
Tecan Infinite Pro M200 plate reader	Tecan
ThermoFisher Pierce BCA Protein Assay Kit	ThermoFisher Scientific	23225