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„Spürnasen“ für Krebszellen

Fruchtfliegen verfügen über einen hervorragenden Geruchssinn, mit dem sie selbst kleinste Unterschiede in Duftgemischen erkennen können. Diese Fähigkeit hat sich eine Forschergruppe um den Konstanzer Neurobiologen Prof. Giovanni Galizia zunutze gemacht. Ihnen ist es gelungen, Krebszellen über ihren Geruch mit Hilfe von Fruchtfliegen von gesunden Zellen zu unterscheiden. Dieser herausragende Erfolg eröffnet viele Möglichkeiten für eine potentielle zukünftige olfaktorische Diagnose von Krebserkrankungen.

Den Forschern der Universität Konstanz gelang es erstmals, Krebszellen über den Geruchssinn von Fruchtfliegen nachzuweisen (v. l. Thomas Laudes, Mitte links: Dr. Alja Lüdke, hinten: Martin Strauch, v. r. Prof. Giovanni Galizia, rechts: Daniel Münch) © Universität Konstanz

Krebszellen unterscheiden sich von gesunden Zellen unter anderem durch ihren Metabolismus, da sie Substanzen aus ihrer Umgebung in anderen Mengen aufnehmen und Stoffwechselprodukte in anderen Konzentrationen ausscheiden. Werden sie in Kultur gehalten, enthält dadurch das umgebende Medium diese Stoffe in anderer Konzentration, als es bei gesunden Zellen der Fall ist. Da es sich teilweise um flüchtige Substanzen handelt, können diese aus dem Medium in die Gasphase übergehen und somit ein spezifisches Duftprofil für die jeweilige Zelllinie bilden. Es scheint daher nicht abwegig, Krebszellen „erschnüffeln“ zu wollen.

„Es gibt Studien in denen der Geruchssinn von Hunden zur Entdeckung von Krebs eingesetzt wird. Diese Studien zeigen, dass Krebs offenbar einen besonderen Geruch hat, den die Hunde zur Unterscheidung von Krebsproben und gesunden Proben nutzen können“, schildert Dr. Alja Lüdke, Neurobiologin an der Universität Konstanz. Die Hunde müssen dafür aber zuerst auf die verschiedenen Düfte trainiert werden und der Nachweis des Krebsduftes ist nur indirekt, also über das Verhalten des Tieres, abzulesen. „Daher wollten wir herausfinden, ob wir mit unseren Methoden ein direktes, objektives physiologisches Ergebnis erzielen können“, erläutert Lüdke die grundlegende Idee. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Giovanni Galizia beschäftigt sie sich in ihrer Forschung mit der Olfaktorik bei Insekten. „Fruchtfliegen und andere Insekten verfügen über exzellente Geruchsrezeptoren“, erklärt sie.

Natürliche Duftrezeptoren haben eine enorme Sensitivität

Ein weiterer Anstoß für die Forscher war eine Kooperation mit Kollegen der Universität Tor Vergata in Rom, die an der Entwicklung elektronischer Nasen für die Krebserkennung forschen. „Die Sensoren in elektronischen Nasen sind noch nicht sensitiv genug, wohingegen sich natürliche Duftrezeptoren durch eine enorme Sensitivität ausweisen. So kamen wir auf die Idee, die Krebsdufterkennung mit den natürlichen Duftrezeptoren der Fruchtfliege zu testen“, beschreibt Lüdke die Entstehung des Projekts. Bei den Fliegen befinden sich diese Rezeptoren direkt auf den sogenannten Antennen, also den Fühlern. Eine Methode, um Duftantworten auf der Antenne und im Gehirn der Fruchtfliege mit bildgebenden Verfahren direkt sichtbar zu machen, war im Labor bereits etabliert. „Damit können wir eine physiologische Antwort direkt ablesen, was die Grundlage für eine objektive Unterscheidung von verschiedenen Düften bildet, die für dieses Forschungsprojekt entscheidend war“, schildert sie weiter.

Geruchstests unter dem Mikroskop

Für die Experimente werden die Fruchtfliegen unter dem Mikroskop in einer speziellen Halterung eingespannt und über einen Schlauch das zu testende Duftgemisch zu ihnen geleitet © Universität Konstanz

Für die Experimente wurde eine Fliege in einer kleinen Halterung am Kopf eingespannt und die Antennen so fixiert, dass sie sich während der Messung nicht bewegen konnten. Dann wurde die Fliege in dieser Halterung unter ein Fluoreszenzmikroskop gestellt und der Fokus auf die Antennen der Fliege eingestellt. Die Duftapplikation erfolgte durch einen dünnen Schlauch, der direkt auf die Antennen gerichtet war und durch den kontinuierlich Luft strömte. In diesen Luftstrom wurden dann die Düfte der einzelnen Zellproben injiziert. „Bei den Proben handelte es sich nicht um Biopsie- oder Gewebeproben, sondern um das Zellkulturmedium, in dem verschiedene Brustkrebszelllinien beziehungsweise eine gesunde Zelllinie gewachsen waren“, erklärt Lüdke. Die Zellen wurden zuvor entfernt und nur die Gasphase über dem Zellkulturmedium, in der sich flüchtige Substanzen sammeln konnten, als Duftgemisch eingesetzt.

Sehen, was die Fliege riecht

Die Fruchtfliegen können im Labor in kleinen Plastikröhrchen gezüchtet werden und sind damit ein einfach zu handhabendes Tiermodell. © Universität Konstanz

Bei einer Aktivierung von Duftrezeptoren durch einen Duftstoff öffnen sich die Kalziumkanäle in der Membran der Riechnervenzelle, dem sogenannten Rezeptorneuron und Kalzium strömt in die Zelle ein. „Die Fliegen, die wir für diese Studie verwendet haben, produzieren in ihren Rezeptorneuronen ein grün fluoreszierendes Protein, das bei Kalziumeinstrom in die Zelle heller leuchtet, sodass man die Aktivierung der Neuronen sehen kann“, beschreibt Lüdke die Methode. Da ein Duftstoff nicht nur eine Art der Duftrezeptoren aktiviert, sondern mehrere mit unterschiedlicher Stärke, ruft jeder Duft ein spezifisches Muster an aktivierten Rezeptorneuronen hervor.

„Die Aktivierungsmuster der jeweiligen Proben auf der Antenne waren bei verschiedenen Fliegen relativ ähnlich, da die Verteilung der verschiedenen Rezeptorneuronen auf der Antenne genetisch kontrolliert ist“, erklärt Lüdke. Daher konnten bei der Analyse die Regionen auf der Antenne zusammengefasst werden, die die gleiche Antwortdynamik auf den Duftstimulus zeigten. Um inter-individuelle Variationen und die Überlappung der Regionen verschiedener Rezeptorzelltypen auszugleichen wurde zusätzlich eine statistische Clusteranalyse durchgeführt. So wurden die verschiedenen Aktivierungsmuster, die man auf der Antenne der Fliege beobachten konnte, für die verschiedenen Zelldüfte miteinander verglichen.

Erster Schritt auf dem Weg zu olfaktorischer Krebsdiagnostik

Den Forschern ist es mit ihren Experimenten erstmals gelungen, Krebszellen objektiv und messbar über ihren Geruch nachzuweisen. Mit ihrer Methode konnten die Forscher klare Unterschiede in den Aktivierungsmustern der Rezeptorneuronen bei gesunden Zelllinie und Krebszellen erkennen. „Das zeigt, dass die Krebszellen tatsächlich ein messbar anderes Duftprofil produzieren als die gesunden Zellen“, bestätigt Lüdke. Darüber hinaus konnten sogar leichte Unterschiede zwischen den verschiedenen Brustkrebszellen erkannt werden. „Wir gehen also davon aus, dass verschiedene Krebszelllinien ebenfalls unterschiedlich riechen“, ergänzt sie.

Nachdem die Studie nun erstmalig gezeigt hat, dass es im Prinzip möglich ist, die Krebszellen mit den Duftrezeptoren der Fruchtfliege nachzuweisen, ist ein Fenster für weitere Experimente geöffnet, um Spezifizität, Zuverlässigkeit und mögliche praktische Anwendungen in der Diagnostik erforschen zu können. „Eine Anwendungsmöglichkeit wäre es zum Beispiel, die natürlichen Duftrezeptoren der Fruchtfliege als sensitive Sensoren in ‚elektronische Nasen‘ einzubauen, aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg“, blickt Lüdke in die Zukunft.

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