Neuer Sensor für Exosomen aus Tumorzellen
Exosomen sind membrangebundene, aus Zellen freigesetzte Vesikel mit einer Größe von bis zu 150 nm, die verschiedenste Biomoleküle enthalten und in Körperflüssigkeiten wie Speichel, Urin und Blut zirkulieren. Neueren Studien zufolge könnten Exosomen sich als nicht-invasive Biomarker für die Krebsdiagnose eignen, ihre quantitative Bestimmung für die klinische Diagnostik ist allerdings noch ein größeres Problem.
Innovativer Biosensor
Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen entwickelte das Projekt ExoSensor einen Exosom-Biosensor für die patientennahe Diagnose (Point-of-Care-Test, POCT) von Bauchspeicheldrüsenkrebs. „Damit soll eine universelle Sensortechnologie für die klinische Krebsdiagnose bereitstehen, um zirkulierende Exosomen zu überwachen“, erklärt Khuloud Al-Jamal, Leiter der Forschungsgruppe. Hierfür macht sich die Technologie den Nachweis von Aptameren zunutze, d. h. kleine, hochspezifisch an Zielmoleküle bindende Oligonukleotide. Zunächst werden Exosomen aus verschiedenen Körperflüssigkeiten isoliert und an Beads konjugiert. Im zweiten Schritt binden Biotin-Aptamere an Marker wie Tetraspanin CD63, die sich auf der Oberflächen der Exosomen befinden. Deren Nachweis erfolgt über ein sekundäres Streptavidin-Aptamer, das an das Enzym Meerrettichperoxidase (horseradish peroxidase, HRP) bindet. Über eine Braunfärbung zeigt der Sensor an, dass das farblose HRP-Substrat Dopamin zu Polydopamin umgewandelt wird. Das Farbsignal liegt nach 10 Minuten vor und ist direkt proportional zur Anzahl der Oberflächenmarker und damit zur Anzahl der Exosomen. Mit dem Biosensor konnten über den exosomalen Biomarker Human Epidermal Growth Factor Rezeptor 2 (HER2) Exosomen aus Brusttumorzellen nachgewiesen werden. Über Integrin alpha-v beta-6 wiederum gelang der Nachweis von Exosomen aus Pankreastumorzellen, womit ein neuer potenzieller Biomarker zur Diagnose von Bauchspeicheldrüsenkrebs zur Verfügung stehen könnte.
Vorteile und Zukunftsaussichten
Bisherige Methoden für den Nachweis von Exosomen sind Durchflusszytometrie, Western Blot und Nanopartikel-Tracking-Analyse NTA, die jedoch spezielle Technik und komplexe oder teure Software erfordern und somit den allgemeinen Einsatz in der patientennahen Diagnostik limitieren. Das Ergebnis von ExoSensor ist ein schneller, preiswerter und sensitiver Nachweis für Exosomen mittels kolorimetrischer Quantifizierung. In einer Machbarkeitstudie wurde demonstriert, dass diese einfache Technologie für den Nachweis und die Quantifizierung von Exosomen in Serumproben hochempfindliche und spezifische Ergebnisse in einem Bruchteil der Zeit liefert, die bisherige Methoden benötigen. „Der Grund für die hervorragende Spezifität von ExoSensor ist, dass Aptamere eine höhere Spezifität und Affinität haben als Antikörper“, betont Al-Jamal. Da der Biosensor zudem nur kleine Probenmengen (im Mikroliterbereich) benötigt, reicht für die Blutanalyse bereits ein Finger-Prick-Test. Auch die Detektion mit bloßem Auge und damit die ambulante und patientennahe POCT-Diagnostik ist einfacher. Die Anwendung des Biosensors in der Krebsvorsorge könnte weltweit die Diagnostik und Behandlung für Millionen von Patienten verbessern. Insbesondere bei Bauchspeicheldrüsenkrebs, der häufig zu spät erkannt wird und mit schlechter Prognose einhergeht, kann ein schneller Tumortest das Überleben verlängern. Da Exosomen Rückschlüsse auf genetische Faktoren oder Proteine aus den Zellen oder Organen zulassen, aus denen sie stammen, eignen sie sich neben der Diagnose von Krebserkrankungen auch zur Beobachtung des Behandlungsfortschritts bzw. Ansprechens auf Medikamente bei anderen Krankheiten. Der Biosensor von ExoSensor könnte zur Kartierung des Exosomenprofils solcher Krankheiten beitragen und damit die Biomarkerforschung weiter voranbringen.
Schlüsselbegriffe
ExoSensor, Exosomen, Biosensor, Aptamer, HER2, CD63, Brustkrebs, Bauchspeicheldrüsenkrebs, Integrin alpha-V beta-6