Hochempfindliche Biosensoren erkennen in einem Bluttest Krebs
Darmkrebs ist hinsichtlich der Inzidenz und Mortalität die zweithäufigste Krebsart in Europa. Obwohl Früherkennung den Therapieerfolg deutlich verbessert, ist die Akzeptanz solcher Maßnahmen in der breiteren Bevölkerung niedrig, da Koloskopieuntersuchungen invasiv sind. Für eine schnellere Diagnose von Krebserkrankungen entwickelte das EU-finanzierte Projekt ULTRAPLACAD eine In-vitro-Plattform für den Nachweis von Nukleinsäure- und Protein-Biomarkern von Krebszellen, die im Blut zirkulieren. „Ziel war es, die Nachweisempfindlichkeit für Biomarker um den Faktor 1 000 zu erhöhen und die Kosten um das Vierfache bzw. die Analysezeit auf eine Stunde zu reduzieren“, erklärt Projektkoordinator Prof. Giuseppe Spoto von der Universität Catania in Italien. An dem Projektteam beteiligten sich europaweit 13 Partner mit interdisziplinärer Kompetenz, u. a. Vorreiter auf dem Gebiet der Oberflächenplasmonenresonanz. Innovative Technologien Das ULTRAPLACAD-System integriert einen Mikrofluidik-Kreislauf mit funktionalisierten Nano-Chips und kombiniert hierfür nanostrukturierte Oberflächenplasmonenresonanztomographie (NESPRI) und plasmonengestützte Fluoreszenzspektroskopie (PEFSI). Mit den beiden neuen Sensortechnologien wird eine hochsensitive Detektion erreicht und der Aufwand bei der chemischen Modifikation von Proben reduziert. Der Aufbau des Chips, die Oberflächenstruktur und die chemische Funktionalisierung der Nanostrukturen sind so konzipiert, dass gleichzeitig mehrere Marker bestimmt werden können. Für den effizienten Nachweis von Nukleinsäuren wie Ras-Mutationen und miRNA wurden spezielle Sonden entwickelt. Die serienmäßige Produktion der Einwegchips in einem automatisierten Herstellungsprozess macht die Assays zudem kostengünstig. Da Tumorzellen in Körperflüssigkeiten normalerweise nur sehr kleine Mengen an DNA freisetzen, erfolgte bislang eine Voramplifikation mittels Polymerasekettenreaktion, um sie nachweisen zu können. Der innovative Aspekt von ULTRAPLACAD sind die Detektions-Assays, für die keine enzymatische Amplifikation von DNA in Flüssigbiopsien mehr benötigt wird, was die Fehleranfälligkeit senkt. Erstmals kommt bei dem ULTRAPLACAD-System ein bimodaler Reader für NESPRI- und PEFSI-Technologien zum Einsatz, was ebenfalls die Detektion verbessert. Wie Dr. Spoto betont, „zeichnet sich das System vor allem dadurch aus, dass Nukleinsäuren und Proteine durch die Einwegchips in einem einzigen Vorgang nachgewiesen werden können.“ Der ULTRAPLACAD-Prototyp wurde an Tiermodellen und Darmkrebsproben von Patienten validiert. Wie die Ergebnisse zeigen, ist die Empfindlichkeit des Systems wesentlich höher als bei herkömmlichen Detektionsplattformen, auch ist der gesamte Assay schneller und einfacher in der Anwendung. Zur Zukunft von ULTRAPLACAD Zweifellos ist der kombinierte Nachweis von DNA-Sequenzen in Krebszellen und ausgewählten Tumor-Autoantikörpern ein effektiver Ansatz in der Krebsdiagnostik. ULTRAPLACAD bietet eine einzigartige Plattform, die sowohl DNA- als auch Protein-Biomarker von Krebszellen erkennt, was die Diagnose und Nachsorge vereinfacht. Angesichts der Einschränkungen bei herkömmlichen Verfahren zur Darmkrebsvorsorge bietet ULTRAPLACAD eine nicht-invasive Alternative bei asymptomatischen Fällen mit mittlerem Risiko. So kann die Zahl invasiver Eingriffe verringert werden, während sich Behandlungskosten gleichzeitig senken sowie die Compliance und das Management von Patienten verbessern lassen. Obwohl die Plattform insbesondere zur Früherkennung und Prognose von Darmkrebs entwickelt wurde, könnte sie künftig auch für andere Krebsarten erweitert werden. Langfristig will man die molekulare Heterogenität einzelner Tumoren bestimmen, was die Stratifizierung von Erkrankungen und die personalisierte Therapie vereinfacht. Für die Zukunft prognostiziert Prof. Spoto, dass „das System ULTRAPLACAD dazu beitragen wird, die Molekulardiagnose von Krebserkrankungen und damit auch die Heilungschancen zu revolutionieren.“
Schlüsselbegriffe
ULTRAPLACAD, Biomarker, Darmkrebs, DNA, Tumor-Autoantikörper, Nanostruktur-gestützte Oberflächenplasmonenresonanztomographie (NESPRI), plasmonengestützte Fluoreszenzspektroskopie (PEFSI)
