Biomarker zur Früherkennung von Brustkrebs
Wird Brustkrebs frühzeitig erkannt, können sich die Überlebensraten drastisch verbessern. Als neuartige Biomarker zur Flüssigbiopsie bei Krebserkrankungen gelten extrazelluläre Vesikel wie beispielsweise Exosomen, Partikel, die von Zellen in Körperflüssigkeiten ausgeschieden werden. Zwar haben Studien ergeben, dass im Blut zirkulierende extrazelluläre Vesikel molekulare Informationen ihrer Ursprungszellen, darunter auch Krebszellen, transportieren, doch bestand eine große Herausforderung darin, diese Informationen auch auf zuverlässige Weise zu extrahieren. „Extrazelluläre Vesikel sind extrem klein und heterogen, und die Isolierung und Charakterisierung krankheitsrelevanter Vesikel aus komplexen Proben wie Blut kann sich schwierig und zeitaufwendig gestalten“, erläutert Uğur Aygün, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Koç Üniversitesi(öffnet in neuem Fenster) in der Türkei. Im Rahmen des Projekts EXCEED, das innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, konzentrierten sich Aygün und sein Team, darunter Hakan Ürey(öffnet in neuem Fenster) und Utkan Demirci(öffnet in neuem Fenster), auf diesen analytischen Engpass und entwickelten neue Ansätze zur empfindlichen, markierungsfreien und Einzelpartikel umfassenden Charakterisierung extrazellulärer Vesikel.
Eine neue Analysepipeline für extrazelluläre Vesikel erschaffen
Im Zuge von EXCEED entwickelte das Team eine neue analytische Pipeline, die ExoTIC(öffnet in neuem Fenster), eine im Labor von Demirci an der Stanford University entwickelte mikrofluidische Isolierungstechnologie für extrazelluläre Vesikel mit einem speziell angefertigten Bildgebungssystem kombiniert, das einzelne Partikel charakterisieren kann. Bei dem Bildgebungssystem kommt gestreutes und reflektiertes Licht zum Einsatz, um einzelne Vesikel im Nanometerbereich zu erkennen, sodass diese ohne Fluoreszenzmarker nachweisbar sind. Das Team ergänzte diesen Ansatz durch ein weiteres Verfahren, die sogenannte Raman-Spektroskopie, um chemische Informationen aus den extrazellulären Vesikeln zu gewinnen. Die Plattform wurde anhand von Referenz-Nanopartikeln und extrazellulären Vesikeln aus Krebs- und nicht-krebsartigen Zellmodellen sowie anhand klinisch gewonnener Proben evaluiert. „Dadurch konnten wir sowohl die physikalischen als auch die chemischen Eigenschaften dieser nanometerkleinen Vesikel untersuchen und das breiter angelegte Potenzial des Ansatzes in Bezug auf die krebsbezogene Flüssigbiopsie ausloten“, erklärt Aygün.
Demonstration des markierungsfreien Nachweises
Eines der wichtigsten Projektergebnisse war der markierungsfreie Nachweis und die Charakterisierung einzelner extrazellulärer Vesikel von nur 30 nm Größe über ein relativ großes Sichtfeld hinweg. „Das ermöglicht die gleichzeitige Analyse vieler einzelner Vesikel“, merkt Aygün an. Das Team demonstrierte zudem den Nachweis und die Charakterisierung spezifischer krebsrelevanter extrazellulärer Vesikel und erkundete die umfassendere Anwendbarkeit anhand von Proben anderer Krebsarten. Parallel dazu entwickelte es Konzepte des maschinellen Lernens, um Nanopartikel anhand ihrer optischen und physikalischen Eigenschaften zu unterscheiden. Die Ergebnisse belegen das breitgefächerte Potenzial der Plattform, physikalische, chemische und rechnergestützte Informationen für eine detaillierte Analyse heterogener Populationen extrazellulärer Vesikel zu kombinieren.
Biomarker für extrazelluläre Vesikel über Brustkrebs hinaus
„Ich glaube, dass extrazelluläre Vesikel ein erhebliches Potenzial als Biomarker aufweisen, nicht nur für Brustkrebs, sondern für viele Krankheiten, da sie molekulare Informationen in sich tragen, die jene Zellen und Gewebe widerspiegeln, aus denen sie stammen“, fügt Aygün hinzu. Zwar werden extrazelluläre Vesikel noch nicht routinemäßig in klinischen Bluttests eingesetzt, dennoch können Technologien wie die innerhalb von EXCEED entwickelten dazu beitragen, diese Lücke zu schließen. Sie könnten dann in Zukunft zunehmend in den europäischen Gesundheitssystemen zum Einsatz kommen. „Zunächst können diese Plattformen Forschungsgruppen ermöglichen, krankheitsassoziierte Signaturen für extrazelluläre Vesikel zu ermitteln und zu validieren, die heute nur schwer entschlüsselbar sind“, erklärt er. „Langfristig könnten validierte Signaturen die Grundlage für minimalinvasive Bluttests bilden, mit denen das Ansprechen auf eine Behandlung, das Fortschreiten der Krankheit und ein Wiederauftreten überwacht sowie möglicherweise eine Früherkennung realisierbar werden.“ Im Projektverlauf erkannte das Team, dass dieselben Technologien nicht nur für die Untersuchung von extrazellulären Vesikeln bei verschiedenen Krankheiten, sondern auch für die Charakterisierung weiterer biologischer Nanopartikel von Nutzen sein könnten, darunter Viren und Nanopartikel, die für die Impfstoffentwicklung relevant sind. „Letztlich würde ich mir wünschen, dass diese Technologien den Weg aus dem Forschungslabor in die reale Welt finden und zu praktischen Werkzeugen werden, die Forschungsgruppen und klinische Teams zur Biomarkerentdeckung und schließlich zur blutbasierte Diagnostik nutzen können“, bekräftigt er.
