Beberapa gangguan neurodegeneratif progresif, termasuk penyakit Alzheimer, didefinisikan dengan adanya protein tau di otak. Para peneliti berusaha untuk mengidentifikasi mekanisme di balik protein tau ini untuk mengembangkan pengobatan, namun upaya mereka untuk mendeteksi biomarker dalam darah telah terhambat oleh penghalang pelindung darah-otak.
Di Universitas Washington di St. Louis, penelitian baru dari lab Hong Chen, profesor teknik biomedis di McKelvey School of Engineering dan onkologi radiasi di School of Medicine, dan kolaborator menemukan bahwa menggunakan biopsi cair yang dimediasi ultrasound terfokus dalam model tikus melepaskan lebih banyak protein tau dan biomarker lain ke dalam darah daripada tanpa intervensi. Metode non-invasif ini dapat memfasilitasi diagnosis gangguan neurodegeneratif, kata para peneliti.
Metode yang dikenal sebagai sonobiopsi, menggunakan USG terfokus untuk menargetkan lokasi yang tepat di otak. Setelah ditemukan, para peneliti menyuntikkan gelembung mikro ke dalam darah yang berjalan ke jaringan target ultrasound dan berdenyut, yang dengan aman membuka penghalang darah-otak. Bukaan sementara memungkinkan biomarker, seperti protein tau dan protein rantai ringan neurofilamen (NfL), keduanya menunjukkan gangguan neurodegeneratif, melewati penghalang darah-otak dan dilepaskan ke dalam darah.
Chen bekerja sama dengan rekan penulis senior Arash Nazeri, MD, asisten profesor radiologi di Mallinckrodt Institute of Radiology (MIR) School of Medicine. Mereka berkolaborasi dengan Tammie LS Benzinger, MD, PhD, seorang profesor radiologi di MIR dan seorang profesor bedah saraf dan biologi dan ilmu biologi; Eric Leuthardt, MD, seorang profesor bedah saraf di School of Medicine dan teknik biomedis di McKelvey Engineering; serta penulis pertama Christopher Pham Pacia, yang memperoleh gelar doktor di bidang teknik biomedis dari Universitas Washington awal tahun ini; Jinyun Yuan, seorang ilmuwan peneliti di laboratorium Chen; dan Yimei Yue, seorang teknisi penelitian di laboratorium Chen.
Hasil pekerjaan, yang pertama membuka pintu untuk diagnosis non-invasif dan bertarget serta pemantauan gangguan neurodegeneratif dengan biopsi cairan yang dimediasi USG terfokus, diterbitkan dalam Radiologi 31 Januari.
Chen, Leuthardt, Pacia dan kolaborator lainnya telah mengerjakan teknik sonobiopsi selama beberapa tahun, pertama dengan biomarker untuk kanker otak manusia dalam model praklinis. Metode biopsi cair lain yang digunakan untuk mendeteksi biomarker untuk gangguan neurodegeneratif memiliki banyak tantangan, termasuk kurangnya informasi anatomi tentang lokasi pelepasan protein, pembersihan cepat dari cairan dan proses penyaringan oleh penghalang darah-otak. Chen mengatakan sonobiopsi adalah teknik yang muncul dengan potensi untuk mengatasi tantangan ini dan tantangan lainnya.
Dalam penelitian baru, tim pertama kali mengambil sampel darah dari tikus muda dengan protein tau abnormal di otak, atau tauopati, yang menerima pengobatan sonobiopsi atau palsu. Mereka menemukan bahwa sonobiopsi menghasilkan peningkatan 1,7 kali lipat dalam kadar protein pTau-181 tau terfosforilasi yang dinormalisasi dan peningkatan 1,4 kali lipat dalam pTau-231 yang dinormalisasi dibandingkan dengan kelompok tikus kontrol yang tidak menjalani sonobiopsi. Dalam studi lanjutan, mereka melakukan sonobiopsi yang ditargetkan dengan menargetkan hipokampus atau korteks serebral pada tahap neurodegeneratif awal model tauopati dan mengambil sampel darah sebelum dan sesudah sonobiopsi. Sonobiopsi yang ditargetkan menghasilkan peningkatan protein NfL 2,3 kali lipat, biomarker sekunder untuk penyakit neurodegeneratif, pada tikus yang diobati dibandingkan dengan kelompok kontrol.
Dalam studi proof-of-concept kami, kami berusaha untuk menentukan apakah sonobiopsi mampu melepaskan spesies tau terfosforilasi dan NfL ke dalam aliran darah dengan membuka penghalang darah-otak. Demonstrasi ini menunjukkan bahwa sonobiopsi secara signifikan meningkatkan pelepasan protein pTau dan penanda sekunder neurodegenerasi ke dalam aliran darah untuk diagnosis noninvasif untuk penyakit neurodegeneratif.”
Hong Chen, profesor teknik biomedis di McKelvey School of Engineering
Nazeri mengatakan tauopati seperti penyakit Alzheimer mirip dengan tumor otak.
“Sementara perilaku tumor otak dan respons pengobatan ditentukan oleh mutasi spesifik yang mereka simpan, protein tau menunjukkan heterogenitas yang besar dalam pola fosforilasi serta modifikasi pasca-translasi lainnya,” kata Nazeri. “Pencitraan PET saat ini dan biomarker plasma yang dikembangkan baru-baru ini sensitif untuk mendeteksi tauopati bahkan pada tahap awal. Sonobiopsi berpotensi memainkan peran untuk mengkarakterisasi lebih lanjut strain spesifik protein tau yang ada di otak untuk pengobatan yang dipersonalisasi pada orang dengan penyakit Alzheimer dan tauopati lainnya. “
Ke depan, tim akan memeriksa efek kualitatif sonobiopsi pada biomarker plasma dan mengkarakterisasi efek parameter ultrasound terfokus dan menentukan waktu pengumpulan darah yang optimal, serta menentukan bagaimana sonobiopsi dapat diterapkan untuk melepaskan biomarker protein yang diturunkan dari otak yang lebih besar.
Sumber:
Universitas Washington di St. Louis
Referensi jurnal:
Pacia, C., dkk. (2023) Biopsi cair termediasi ultrasound terfokus dalam model tikus tauopati. Radiologi. doi.org/10.1148/radiol.220869.