Projekt-Erfolgsstorys - Krebsdiagnose durch Atemtest
Die Forscher untersuchten, inwieweit sich massenspektrometrische Verfahren zur molekularen Charakterisierung chemischer und biochemischer Substanzen einsetzen lassen, um über Analysen des menschlichen Atems mögliche Krebserkrankungen zu diagnostizieren. Neueste Forschungen haben gezeigt, dass Hunde in der Lage sind, mit hoher Sicherheit malignes Gewebe, d.h. Krebserkrankungen im Frühstadium, zu identifizieren, einfach indem sie an der Atemprobe eines Patienten riechen. Das EU-finanzierte Projekt BREATH (Characterisation of biomarkers in breath of lung and breast cancer patients) befasste sich näher mit dieser Entdeckung, um Biomarker im Atem von Lungen- und Brustkrebspatienten zu charakterisieren. Die Analyse von Atemproben hat mehrere deutliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Methoden: sie ist nicht-invasiv und daher für den Patienten kaum eine Belastung, und sie ist schnell, was sie für Routineuntersuchungen im klinischen Alltag geeignet macht. In der Fachliteratur ist der Einsatz von Atemanalysen für medizinische Diagnosen bereits hinreichend dokumentiert und findet bei der Diagnose von Stoffwechselerkrankungen sowie in Pharmazeutik und Chemie Anwendung. Klinische Anwendungen für massenspektrometrische Analysen gibt es bisher allerdings nur wenige, was sich jedoch ändern wird, wenn das Verfahren häufiger eingesetzt, besser erforscht und zuverlässiger wird. Bis dahin allerdings ist noch viel Forschungsarbeit nötig, um gezielt Zusammenhänge zwischen entsprechenden Biomarkern und Krankheiten wie Brustkrebs herzustellen. An zuverlässigen Daten mangelt es bislang, weil die meisten massenspektrometrischen Verfahren noch nicht ausgereift sind, um große Biomoleküle zu analysieren, die typischerweise in Atemproben oder Organen vorhanden sind. Diese Hürde versucht das Projekt BREATH mit der Entwicklung einer neuen massenspektrometrischen Methode zu überwinden. Makromoleküle Das Prinzip der Massenspektrometrie beruht auf der Kombination einer Ionenquelle zur Aufladung bzw. Ionisierung des zur Frage stehenden Materials, eines Massenanalysators, der die Partikel nach ihrer Masse sortiert, und eines Detektors. Ermittelt wird anschließend die Anzahl vorhandener Ionen. Die Charakterisierung der Probe erfolgt dann durch Zusammenführen aller gewonnenen Daten. BREATH nutzt ein relativ neues massenspektrometrisches Verfahren, die sogenannte SESI-MI-Methode (Sekundäre Elektrospray-Ionisations-MS). Die Elektrospray-Ionisation wurde 1988 entwickelt und trug bereits Mitte der 90er Jahre zur Entwicklung lebensrettender AIDS-Medikamente bei, sogenannter Proteaseinhibitoren. Ein entscheidender Vorteil der Elektrospray-Methode ist die schnelle Analyse komplexer pharmazeutischer Präparate – hauptsächlich bestehend aus großen biologischen Makromolekülen. Auf dem Nachweis derartiger Makromoleküle beruht die diagnostische Erkennung von Krebserkrankungen, sodass BREATH dieses Verfahren nutzte, um das vorliegende Problem zu lösen. Mit SESI-MI wurde mehrere Monate lang die Konzentration von Metaboliten im Atem einer Gruppe gesunder Probanden dokumentiert, und wie sich zeigte, besitzt jeder Mensch eine eigene, charakteristische "Atemsignatur". Dies ist besonders für Analysen von Stoffwechselvorgängen relevant, da die Messergebnisse in Abhängigkeit unterschiedlichster Faktoren wie Ernährung o.ä. einer zeitlichen Variabilität unterliegen, was eines der größten Probleme darstellt, da sich damit der metabolische Fingerabdruck eines Menschen ständig verändert. Trotz dieses "temporären Rauschens" gelang es den Forschern jedoch, einen stabilen metabolischen Fingerabdruck zu generieren, der jeder Person eindeutig zugeordnet werden kann. Nach Optimierung der Methode untersuchten die Forscher Unterschiede im Atemmuster einer Gruppe von Lungen- und Brustkrebspatienten und verglichen sie mit einer gesunden Kontrollgruppe. Auf diese Weise sollte eine Reihe von Metaboliten identifiziert werden, die bei Krebspatienten über- oder unterexprimiert werden. Den Anlass dazu gaben mehrere Forschungsberichte, in denen beschrieben wird, wie Hunde malignes Gewebe anhand einer charakteristischen Atemsignatur identifizieren. Und noch ein neues Analyseverfahren Die europäischen Forscher entwickelten zudem einen neuen Ansatz zur statistischen Analyse von Patientenproben und validierten die neue Methode gegenüber klassischen chemometrischen Methoden. In dem Vergleich, der auf dem Nachweis von Spurengasen mittels Plasma-Massenspektrometrie beruht, konnte zuverlässig zwischen Darmkrebspatienten und gesunden Probanden unterschieden werden – ein weiteres wichtiges Ergebnis der Studie. Wie sich herausstellte, eignet sich die Methode auch zur Identifizierung und Quantifizierung freier Fettsäuren, die in vielen Stoffwechselprozessen eine wichtige Rolle spielen. Unter anderem zeigt sich darin auch das Potenzial der SESI-MI-Methode über krebsdiagnostische Anwendungen hinaus. Die Forscher untersuchten das Potenzial des neu entwickelten differentiellen Mobilitätsanalysators, der gekoppelt mit Massenspektrometrie für den Nachweis eines Biomarkers für Prostatakrebs eingesetzt wird. Der große Vorteil dieser Methode ist, dass die Ergebnisse sehr viel schneller vorliegen als mit herkömmlichen Methoden, und damit ist sie, so sind die Forscher überzeugt, optimal für Routineuntersuchungen in der klinischen Praxis geeignet. BREATH wurde unter dem Programm HEALTH des Siebten Rahmenprogramms (RP7) der EU finanziert.