Krebszelldiagnostik mit bakteriellen Biosensoren
Krebs stellt immer noch eine der häufigsten Todesursachen in der Welt dar und fordert Jahr für Jahr etwa 8,2 Millionen Todesopfer. In vielen Fällen ist nicht der Primärtumor für die Sterblichkeit verantwortlich, sondern die Metastasierung, wobei dieser Prozess durch in den Blutkreislauf gelangende zirkulierende Tumorzellen angeheizt wird. Zirkulierende Tumorzellen sind phänotypisch heterogen, und verschiedene Subpopulationen tragen auf unterschiedliche Weise zur Metastasierung, Therapieresistenz und zum klinischen Ergebnis bei. Sie detailliert zu charakterisieren, könnte die Tumordiagnostik und personalisierte Behandlungsstrategien verändern. Bei konventionellen Methoden bestehen jedoch Probleme mit geringer Empfindlichkeit, begrenzter Multiplexkapazität und der Abhängigkeit von umfangreicher Laborinfrastruktur.
Verschiedene Technologien zum Einzelsystem verschmelzen
Das Ziel des EU-finanzierten Projekts BIOCELLPHE(öffnet in neuem Fenster) besteht darin, diese Lücke zu schließen, indem ein radikal neuer Ansatz zur Erstellung von Proteinprofilen einzelner zirkulierender Tumorzellen entwickelt wird. „Unsere Vorstellung besteht darin, die Art und Weise, wie wir bestimmte Proteine auf der Oberfläche einzelner Tumorzellen nachweisen, grundlegend zu verändern, indem wir die neuesten Fortschritte in den Bereichen Nanotechnologie, synthetische Biologie, Mikrofluidik und künstliche Intelligenz (KI) in einer einzigen, bedienungsfreundlichen Diagnostikplattform vereinen“, erklärt Projektkoordinatorin Isabel Pastoriza Santos. Zellen exprimieren mehrere Proteine auf ihrer Oberfläche, die sie oft mit anderen Zelltypen teilen. Daher erfordert der Nachweis und die Identifizierung zirkulierender Tumorzellen zur Krebsdiagnostik, dass vieler Proteinbiomarker gleichzeitig gemessen werden. Um zirkulierende Tumorzellen zu isolieren, entwickelte das Konsortium eine Vorrichtung vom Typ Labor-auf-einem-Chip(öffnet in neuem Fenster), die passiv zellhaltige Tröpfchen aus peripheren Blutproben von Krebspatientinnen und -patienten sortiert und einfängt. Diese Zellen werden einer nachgeschalteten Molekularanalyse unterzogen.
Gentechnisch veränderte Bakterien als lebende Sensoren
Das Kernstück des Konzepts bilden gentechnisch veränderte Escherichia coli-Stämme, die dazu dienen, spezifische Proteinbiomarker auf der Oberfläche zirkulierender Tumorzellen zu erkennen. Diese Stämme tragen Rezeptoren auf ihrer äußeren Membran, die eine selektive Anheftung an validierte Krebsbiomarker zulassen. Die spezifische Anheftung von Bakterien an Zielproteine auf der Zellmembran löst die Erzeugung von Raman-aktiven chemischen Verbindungen aus, die mithilfe der oberflächenverstärkten Ramanstreuung(öffnet in neuem Fenster) anhand ihrer einzigartigen spektralen Fingerabdrücke mit ultrahoher Empfindlichkeit nachweisbar sind. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden im Rahmen des Gemeinschaftsunternehmens Signal- und Stoffwechselwege derart gestaltet, dass unterschiedliche Raman-aktive Reporter produziert werden, die den gleichzeitigen (d. h. multiplexen) Nachweis mehrerer Proteine ermöglichen. Vorläufige Daten aus klinischen Analysen ergaben, dass die gentechnisch veränderten Bakterien mindestens drei verschiedene Zellmembranproteine auf zirkulierenden Tumorzellen erkennen und unterscheiden konnten. Diese Erkenntnisse unterstreichen das Potenzial der Multiplex-Phänotypisierung anhand echter Patientenproben.
Über den Stand der Technik hinaus
Auch wenn die vollständige Integration in eine einzige Diagnostikvorrichtung weiterhin ein Ziel für die Zukunft bleibt, hat das Team von BIOCELLPHE einen neuen wissenschaftlichen und technologischen Rahmen für die Proteinprofilierung auf Einzelzellebene geschaffen. Das multidisziplinäre Fachwissen des Konsortiums in den Bereichen synthetische Biologie, Nanotechnologie, Mikrofluidik und KI ermöglichte zuvor nicht realisierbare Fortschritte. Zu den weiteren Schritten zählen Optimierung, größere klinische Validierungsstudien sowie die Erkundung translationaler Pfade. Das BIOCELLPHE-Konzept, bei dem gentechnisch veränderte Bakterien zur Erkennung extrazellulärer Ziele eingesetzt werden, birgt das Potenzial, die Präzisionsonkologie und die biomedizinische Diagnostik im Allgemeinen voranzubringen. „Die im Zuge des Projekts geschaffenen Grundlagen lassen weit über Krebs hinausgehenden Anwendungen in den Bereich des Möglichen rücken“, betont Pastoriza Santos.
