Neue Technologie zur schnellen Erkennung von Markern für die Krebsdiagnose

Forscher der Universität Okayama berichten, dass Terahertz-Strahlung verwendet werden kann, um Marker für Brustkrebs schnell zu erkennen. Die Wissenschaftler stellen eine Technik vor, die die Bindungseigenschaften von Aptameren nutzt.

Die Mammographie ist aktuell die Standardtechnik zur Früherkennung von Brustkrebs. Sie ist jedoch nicht ohne Risiko, da die Patientin einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird. Ein anderer Ansatz zum Nachweis von Brustkrebszellen basiert auf Terahertz (THz)-Strahlung, die empfindlich für polare Moleküle wie Wasser ist. Normales und Krebsgewebe haben nicht den gleichen Wassergehalt.

PD Dr. Toshihiko Kiwa (Universität Okayama, Japan) und Prof. Tsuneyuki Ozaki (INRS: Institut national de la recherche scientifique, Kanada) und Kollegen haben nun einen Weg gefunden, die Empfindlichkeit der THz-Strahlung für die Erkennung von Brustkrebszellen zu erhöhen. Das bedeutet, dass die “chemische THz-Mikroskopie” zu einer leistungsfähigen alternativen Screening-Methode werden könnte.

Das Schlüsselprinzip der Methode von Kiwa und Kollegen ist, dass sich Krebszellen und normale Brustzellen an bestimmte Moleküle, die als Aptamere bekannt sind, binden bzw. nicht binden. Die Aptamere bestehen aus (einzelsträngigen) DNA- oder RNA-Fragmenten; sie haben eine hohe Affinität für bestimmte Moleküle – in den Experimenten des Teams von Kiwa waren diese Moleküle Brustkrebszellen.

Der experimentelle Aufbau der Forscher beinhaltete eine Sensorplatte, bestehend aus einem Saphirsubstrat und dünnen Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid. Die Aptamere waren an der obersten Schicht befestigt. Durch Bestrahlen der Platte mit einem bestimmten Laser werden Ladungsträger erzeugt, deren Bewegung elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich erzeugt. Die genaue THz-Antwort hängt jedoch davon ab, ob die Aptamere “freistehend” sind (ohne anhaftende Zellen ) oder nicht (anhaftende Brustkrebszellen). Ersteres entspricht der Situation, in der die Probe auf der Sensorplatte nur aus normalen Zellen besteht; für letztere enthält die Probe Brustkrebszellen.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Detektionsmethode sehr empfindlich ist: Die so genannte „Nachweisgrenze“ lag bei einer Krebszelle in 0,1 Milliliter der Probe. Darüber hinaus scheint eine qualitative Beurteilung einer Probe möglich, da die Änderung des THz-Signals mit der Anzahl der Krebszellen pro Aptamer in Verbindung gebracht werden kann. Obwohl weitere Untersuchungen des letzteren Zusammenhangs erforderlich sind, schlussfolgern Kiwa und Kollegen: „… die Ergebnisse dieser Studie können der Funke einer neuen Entwicklung bei der Erkennung von Brustkrebs sein.“

Aptamere

Aptamere sind kurze DNA- oder RNA-Moleküle oder aus Peptiden aufgebaute Moleküle, die an spezifische Moleküle binden können. Kiwa und seine Kollegen nutzten die Bindungseigenschaften von zwei Aptameren, Mammaglobin B1 (MAMB1) und Mammaglobin A2 (MAMA2). Diese Aptamere binden an Proteine (Mammaglobin B bzw. Mammaglobin A), die in typischen Brustkrebszellen überexprimiert werden. Auf einer speziell entwickelten Sensorplatte angebracht, haben freistehende und an Krebszellen gebundene Aptamere eine unterschiedliche Reaktion auf Terahertz-Strahlung. Dieser Unterschied kann verwendet werden, um eine Gewebeprobe mit Brustkrebszellen von einer Probe mit nur normalen Zellen zu unterscheiden.

Publikation:

Eman M. Hassan, Ahmed Mohamed, Maria C. DeRos, William G. Willmore, Yuki Hanaoka, Toshihiko Kiwa, Tsuneyuki Ozaki. High-sensitivity detection of metastatic breast cancer cells via terahertz chemical microscopy using aptamers. Sensors & Actuators: B. Chemical, 287 (2019), 595–601. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.02.019

Referenz (Okayama Univ. e-Bulletin): Associate Professor Kiwa’s team

e-Bulletin Vol.4：Unique terahertz chemical microscope for mapping chemical reactions

e-Bulletin Vol.10：Simple, compact, highly sensitive SQUID based magnetic field measurement sysytem to detection of a very small magnetic signals

e-Bulletin Vol.11：High-performance Terahertz Project kick-off symposium

e-Bulletin Vol.13：Terahertz chemical microscope: Innovative terahertz technology for high resolution mapping of chemical reactions, label free immunoassays, cosmetics research, and more

OU-MRU Vol.54 (2018)：Measuring ion concentration in solutions for clinical and environmental research