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Capturing non-Amplified Tumor Circulating DNA with Ultrasound Hydrodynamics

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Tumor-DNA mit Akustik-Technologie im Blut erkennen

Ein europäisches Forschungsprojekt hat einen neuartigen DNA-Biosensor entwickelt, der zirkulierende Tumor-DNA in Serum zusammen mit einem hochspezifischen allelspezifischen PCR-Test in weniger als zwei Stunden erkennen kann. Außerdem erkennt die Technologie Krebsmutationen, die im Gewebe beginnen, wodurch die Flüssigbiopsie sowie die Gewebebiopsie parallel vorgenommen werden können.

Gesundheit

Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine Methode zur DNA-Amplifikation, die Millionen Kopien von DNA-Proben produzieren kann. Sie wurde in den 1980er-Jahren von Kary Banks Mullis entwickelt, der 1993 den Nobelpreis für Chemie erhielt, und hat seitdem die Molekularbiologie revolutioniert. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) hat eine neue Ära für DNA-Studien eingeleitet und ist mittlerweile der Goldstandard für die meisten Gentests. Außerdem leistet das Verfahren einen wichtigen Beitrag zum Humangenomprojekt. Derzeit ist die digitale Droplet-PCR (ddPCR), der Stand der Technik in Sachen Sensitivität, für einen breiten Einsatz in Diagnoselabors unerschwinglich. Alternativen wie die Sanger-Sequenzierung und Cobas-PCR-Tests sind zwar kostengünstiger, haben jedoch eine deutlich geringere Sensitivität als die ddPCR.

Ein akustischer Sensor zur DNA-Erkennung

Daher hat das EU-finanzierte Projekt CATCH-U-DNA eine einfache und hochspezifische Methode zur DNA-Amplifikation und -Quantifizierung entwickelt. „Wir wollten ein hochempfindliches Verfahren zur Erkennung zirkulierender Tumor-DNA für die Flüssigbiopsie bei Krebs-Erkrankten entwickeln“, erklärt Projektkoordinatorin Electra Gizeli. Zu diesem Zweck erschuf das Forschungsteam einen hochempfindlichen allelspezifischen PCR-Test (AS-PCR), der Zielmutationen in Genen selektiv amplifiziert, die an Melanomen sowie Darm- und Lungenkrebs beteiligt sind. Amplifizierte DNA bindet an einen neuartigen, ultrasensitiven Biosensor, der zur Bindung von Liposomen führt. Dadurch verändert sich die Schallenergie und es wird ein zur immobilisierten DNA proportionales Signal ausgegeben. Die CATCH-U-DNA-Plattform kann bis zu 24 DNA-Ziele parallel in weniger als zwei Stunden erkennen. Ihre Sensitivität übertrifft alle auf dem Markt erhältlichen quantitativen PCR-Methoden und ist viel günstiger als die ddPCR. Darüber hinaus ermöglicht die Akustik-Technologie im Gegensatz zu anderen DNA-Array- oder Biosensorik-Plattformen, die normalerweise zur DNA-Bestimmung eingesetzt werden, die Verarbeitung nicht gereinigter Proben, und die Probenerhitzung wird überflüssig. In Zusammenarbeit mit der Fakultät für Onkologie der Universität Kreta fand der CATCH-U-DNA-Ansatz die Krebsmutationen BRAF V600E und KRAS G12D in formalinfixierten, paraffineingebetteten Gewebe- und Plasmaproben von Personen, die an Lungen- bzw. Darmkrebs oder malignem Melanom erkrankt sind. Die Plattform erkannte ein einzelnes DNA-Molekül, das die BRAF V600E-Punktmutation in einem 10 000-fachen Überschuss an Wildtyp-Allelen trägt, woraus sich eine Sensitivität von 99,99 % ergibt.

Nutzung der CATCH-U-DNA-Plattform für die Flüssigbiopsie

Laut der WHO ist Krebs die weltweit zweithäufigste Todesursache. Da die Zahlen aufgrund der alternden Bevölkerung wahrscheinlich weiter steigen werden, bedarf es dringend besserer und sofortiger Diagnosen. Die Bestimmung von Tumor-DNA im peripheren Blut durch eine Flüssigbiopsie ist ein vielversprechender und nichtinvasiver Ansatz, der Standardansätze wie die Biopsie von festem Gewebe, Ultraschalluntersuchungen und die Magnetresonanztomografie übertreffen wird. „Mit einem einfachen Bluttest erkennt die Flüssigbiopsie DNA, die aus Krebszellen freigesetzt wurde, und stellt somit umfassende Informationen über den Tumor bereit“, bemerkt Gizeli. Die CATCH-U-DNA-Plattform wird das Verfahren vereinfachen sowie die Sensitivität und Kosteneffizienz verbessern. Darüber hinaus bringt sie die personalisierte Medizin der Realität einen Schritt näher. Künftig soll die Technologie vom Projektpartner AWSensors aus Spanien kommerzialisiert werden, der die neue Akustik-Plattform und die Sensoranordnung entwickelt hat. Die Plattform soll sowohl in der Laborforschung als auch im klinischen Bereich eingesetzt werden.

Schlüsselbegriffe

CATCH-U-DNA, AS-PCR, Flüssigbiopsie von Gewebe, Tumor-DNA, Akustik-Technologie, DNA-Biosensor

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