Early Detection of Prostate Cancer Using Human Olfactory Receptor- Embedded Nanodiscs through Urine Analysis

Abstract

Prostate cancer is a cancer that ranks first among male cancers and its prognosis varies greatly depending on the degree of cancer spread. In the case of localized prostate cancer, the 5-year survival rate is close to 99%, but if the cancer has metastasized, that figure drops rapidly to 32%, so it is very important to diagnose cancer early. Currently, the most commonly used method of diagnosing prostate cancer is the prostate-specific antigen test, but because many other factors affect the level, specificity is low, which can lead to overdiagnosis or overtreatment. Other diagnostic methods, such as digital rectal examination and ultrasound, are invasive methods that involve inserting fingers or equipment into the body, and in the case of biopsy, there is a possibility of aftereffects from surgery, so the demand for non-invasive diagnostic methods is increasing. From this perspective, research has been conducted on diagnosing prostate cancer through urine using a canine's olfactory system, and research has been conducted on diagnosing prostate cancer by replacing a dog's sense of smell with human olfactory receptors, which have high sensitivity and specificity. The olfactory receptors were overexpressed and purified in an E. coli system and reconstituted into nanodiscs to ensure the functionality and stability of the olfactory receptors. Through tryptophan fluorescence quenching analysis, the ability to distinguish between patient and healthy groups was confirmed when using undiluted urine and hOR-embedded nanodiscs showed higher AUC values and specificity were confirmed than the existing method. Additionally, when the results according to the Gleason classification method were confirmed, the possibility of distinguishing between more malignant cancers was also suggested. These results mean that it is not only a non-invasive method compared to existing diagnostic methods, but also has high sensitivity and specificity and can be an alternative diagnostic method to determine malignancy. It also allows for the selection of more effective olfactory receptors and with the support of machine learning, we can expect the possibility of improving to a more accurate diagnosis method.

전립선암은 남성암 발병율 중에서도 1위를 차지하는 암이며 암의 전의 정도에 따라 예후가 크게 달라지는 암이다. 국소 전립선암의 경우 5년 생존율이 99 %에 가깝지만, 암이 전이되었을 경우 그 수치가 32 %로 급격하게 떨어지므로 조기에 암을 진단받는 것이 매우 중요하다. 현재 가장 많이 쓰이는 전립선암 진단 방식으로는 전립선 특이항원 검사가 있지만 수치에 영향을 주는 기타요인이 많아 특이도가 낮기에 과잉진단이나 과잉치료를 초래할 수 있고, 그 외의 진단방식인 직장수지검사나 초음파의 경우 손가락이나 장비 등을 신체에 넣는 침습적인 방식이며, 조직검사의 경우 수술로 인한 후유증의 가능성이 있어 비침습적인 진단 방식에 대한 요구가 커지고 있다. 이러한 관점에서 개의 후각을 이용하여 소변을 통해 전립선암을 진단하는 연구가 진행되어왔고 높은 민감도와 특이성을 보여 개의 후각을 인간의 후각 수용체로 대체하여 전립선암을 진단하는 연구를 진행하였다. 후각 수용체는 대장균 시스템에서 과발현되고 정제되었으며, 후각 수용체의 기능성과 안정성을 확보하기 위해 나노디스크 형태로 재조립하였다. 트립토판 형광 소광 분석을 통해 소변 샘플은 원액을 사용하고 후각수용체를 내장한 나노디스크를 활용하였을 때 환자군과 건강군을 구분하는 능력을 확인하였으며 기존의 방식보다 높은 AUC값과 특이도를 확인하였다. 또한 글리슨 분류방식에 따른 결과를 확인하였을 때 보다 악성인 암에 대해 구분할 수 있는 가능성도 시사하였다. 이러한 결과는 기존의 진단 방식에 비해 비침습적인 방식일 뿐만 아니라 높은 민감도와 특이성을 가졌으며 악성여부를 판단할 수 있는 진단방식의 대체가 될 수 있음을 의미하였으며, 또한 더욱 효과적인 후각수용체의 선정 및 머신러닝의 지원을 통해 더 정확한 진단방식으로 향상될 수 있는 가능성을 기대할 수 있다.