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Ein neuer Test, bei dem modernste Nanomaterialien zum Einsatz kommen, könnte die Diagnostik für eine Reihe schwerwiegender menschlicher Krankheiten beschleunigen. In den letzten Phasen der Proteinsynthese in den Zellen werden kurze Zuckerketten, so genannte Glykane, angehängt, ein Prozess, der als Glykosylierung bekannt ist. Dadurch entstehen Glykoproteine und eine große Anzahl von Varianten, die als Glykoformen bezeichnet werden.
Es gibt inzwischen zahlreiche Hinweise darauf, dass der Prozess der Glykosylierung bei der Entstehung mehrerer wichtiger menschlicher Krankheiten, darunter Krebs sowie Herz- und Hirnerkrankungen, auf subtile Weise verändert wird. In den Zellen der Erkrankten werden charakteristische Glykoformen gebildet, was eine Möglichkeit für die frühzeitige und genaue Erkennung von Krankheiten darstellt.
„Wenn wir die mit der Krankheit verbundenen Glykoformen selektiv nachweisen können, sind wir in der Lage, die Krankheit mit hoher Genauigkeit und in einem frühen Stadium zu diagnostizieren“, sagt Paula Mendes, Professorin für Hochleistungsmaterialien und Nanotechnologie an der Universität von Birmingham.
Erstellen von Modellen für Glykoformen
Einige Glykoformen eines Proteins werden mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht, andere nicht. Bedauerlicherweise fehlte es bisher an Instrumenten, die zwischen diesen Zuckern unterscheiden können.
Gegenwärtige Tests verwenden Antikörper, um das Vorhandensein dieser veränderten Zucker nachzuweisen, aber Antikörpertests sind instabil, erfordern spezielle Handhabungsverfahren und sind daher zeitaufwändig und kostspielig. Zudem gibt es nur eine sehr begrenzte Anzahl von Antikörpern, die an Zucker binden können.
Dies war die treibende Kraft hinter dem EU-finanzierten und vom Europäischen Forschungsrat unterstützten Projekt GLYCOSURF, in dem ein völlig neuartiger molekularer Test entwickelt wurde. Letzterer basiert auf modernsten Materialien, die in der Lage sind, spezifische Glykoformen zu erkennen.
Der Ansatz von GLYCOSURF gründet auf Fortschritten in den Bereichen der Nanomaterialien, der Chemie und einer Technik, die als molekulares Imprinting bekannt ist. Dabei wird eine Form von bestimmten Glykoformen auf der Oberfläche des Nanomaterials erzeugt, so dass nur diese Zuckermoleküle eindringen können. Sie lassen sich leicht aufspüren, so dass das zugrunde liegende Problem genau erkannt und Verwechslungen vermieden werden können. Im Rahmen des Projekts hat das Forschungsteam die Fähigkeit des Tests, diese spezifischen Zucker zu erkennen, entwickelt, verbessert und erfolgreich demonstriert.
„Diese beispiellosen Fähigkeiten ermöglichen es uns, viel genauere diagnostische Tests für die frühe und genaue Diagnose vieler Krankheiten, einschließlich Krebs, zu entwickeln“, erklärt Mendes.
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien sind robust, stabil und lassen sich leicht für die industrielle Produktion aufrüsten, erklärt Mendes. Das bedeutet, dass sie in einem breiten Spektrum biologischer und medizinischer Anwendungen eingesetzt werden könnten und zur Diagnose von Krankheiten auch in Regionen mit eingeschränkter medizinischer Versorgung beitragen könnten.
„Die Entwicklung solcher hochpräzisen molekularen Plattformen für den Nachweis von Glykoproteinen war eine Herausforderung und erforderte Ausdauer und Einfallsreichtum“, sagt Mendes. „Das Forschungsteam hat die Herausforderung jedoch souverän gemeistert, und unsere wichtigsten Ziele wurden erreicht“, fügt sie hinzu.
Den Test für Prostatakrebs neu erfinden
Das Team setzt die Technologie nun in einen Test für die Früherkennung von aggressivem Prostatakrebs um, der eine weitaus genauere und zuverlässigere Methode bietet als die derzeit verfügbaren.
Die am häufigsten verwendeten Tests weisen ein Glykoprotein – das prostataspezifische Antigen (PSA) – nach, das mit Prostatakrebs in Verbindung gebracht wird, doch können hohe Werte dieses Glykoproteins auch aus anderen Gründen vorhanden sein. Infolgedessen gibt es viele falsch-positive Ergebnisse, die für die Betroffenen eine unnötige Belastung darstellen und die Gesundheitssysteme überflüssigerweise belasten.
Der neue Test von GLYCOSURF erfasst nur die wenigen spezifischen Glykoformen des PSA-Glykoproteins, die erhöht sind, wenn ein Patient Prostatakrebs hat, was bedeutet, dass das Ergebnis nahezu sicher ist. Je nach Zusammensetzung der verschiedenen Glykoformen kann der Test auch Aufschluss darüber geben, wie aggressiv ein Krebs sein wird. So kann die Behandlung je nach Schweregrad der Erkrankung auf den jeweiligen Patienten zugeschnitten werden.
Dieses neue Projekt wird mit Unterstützung von Prostate Cancer UK durchgeführt, in der Hoffnung, dass es in naher Zukunft zu klinischen Versuchen kommt. Das Team hofft auch auf die Entwicklung spezifischer Tests für eine Reihe von Krebsarten sowie für andere schwere, nicht übertragbare Krankheiten.
Die neue Diagnosetechnik wird im Rahmen der Ausstellung „Living with Cancer“ vorgestellt, die im vergangenen Jahr im Manchester Science and Industry Museum stattfand. Die Ausstellung wechselt in das Londoner Wissenschaftsmuseum und bleibt dort von Mai 2022 bis Januar 2023.