Forscher zeigen, dass Heuschrecken menschlichen Krebs „erschnüffeln“ können

Forscher der Michigan State University haben gezeigt, dass Heuschrecken nicht nur den Unterschied zwischen Krebszellen und gesunden Zellen „riechen“ können, sondern auch zwischen verschiedenen Krebszelllinien unterscheiden können.

Patienten müssen sich jedoch keine Sorgen über Heuschreckenschwärme in ihren Arztpraxen machen. Vielmehr sagen die Forscher, dass diese Arbeit die Grundlage für Geräte liefern könnte, die sensorische Neuronen von Insekten verwenden, um die Früherkennung von Krebs zu ermöglichen, indem nur der Atem eines Patienten verwendet wird.

Obwohl solche Geräte nicht in unmittelbarer Nähe sind, sind sie nicht so weit hergeholt, wie es klingen mag, sagten die Autoren der neuen Studie, die am 25. Mai veröffentlicht wurde BioRxiv.

Das liegt zum Teil daran, dass sich die Menschen an Technologien gewöhnt haben, die unsere natürlichen Sinne erweitern oder übertreffen. Zum Beispiel offenbaren Teleskope und Mikroskope ansonsten unsichtbare Welten. Der Erfolg technisierter Geräte kann dazu führen, dass die Leistung unserer natürlichen Werkzeuge, insbesondere des Sinnesorgans direkt vor unseren Augen, leicht übersehen wird.

„Nasen sind immer noch Stand der Technik“, sagte Debajit Saha, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik an der MSU. „Es gibt wirklich nichts Vergleichbares, wenn es um Gassensorik geht.“

Aus diesem Grund vertrauen wir darauf, dass Hunde und ihre Superschnüffler verräterische Gerüche von Drogen, Sprengstoff und in jüngerer Zeit auch Gesundheitszustände wie niedrigen Blutzucker und sogar COVID-19 erkennen.

Wissenschaftler arbeiten an einer Technologie, die den Geruchssinn nachahmen kann, aber nichts, was sie entwickelt haben, kann mit der Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Spezifität des altmodischen biologischen Geruchssinns mithalten.

„Die Menschen arbeiten seit mehr als 15 Jahren an ‚elektronischen Nasen‘, aber sie sind noch lange nicht in der Nähe dessen, was die Biologie nahtlos leisten kann“, sagte Saha, der auch am Institute of Quantitative Health Science and Engineering (IQ) arbeitet .

Dieser Mangel an Gassensorgeräten schafft eine Chance für die Früherkennung von Krankheiten, insbesondere solchen wie Krebs, bei denen ein frühzeitiges Eingreifen Leben retten kann. Wenn der Krebs im ersten Stadium entdeckt wird, haben die Patienten eine Überlebenschance von 80 % bis 90 %. Aber wenn es nicht vor Stufe 4 gefangen wird, sinken diese Zahlen auf 10% bis 20%.

Krebszellen funktionieren anders als gesunde Zellen, und sie bilden während ihrer Arbeit und ihres Wachstums andere chemische Verbindungen. Wenn diese Chemikalien in die Lungen oder Atemwege eines Patienten gelangen, könnten die Verbindungen in der ausgeatmeten Luft nachgewiesen werden.

„Theoretisch könnte man in ein Gerät atmen, und es wäre in der Lage, mehrere Krebsarten zu erkennen und zu unterscheiden und sogar, in welchem ​​​​Stadium sich die Krankheit befindet. Allerdings ist ein solches Gerät noch nicht annähernd klinisch einsetzbar.“ Sagte Saha.

Also entwickeln Saha und sein Team einen neuen Ansatz. Anstatt zu versuchen, etwas zu konstruieren, das wie die Biologie funktioniert, dachten sie: Warum nicht mit den Lösungen beginnen, die die Biologie bereits nach Äonen der Evolution entwickelt hat, und von dort aus konstruieren? Das Team „hackt“ im Wesentlichen das Insektengehirn, um es für die Krankheitsdiagnose zu verwenden, sagte Saha.

„Dies ist eine neue Grenze, die fast unerforscht ist“, sagte er.

Saha und sein Team entschieden sich aus mehreren Gründen für die Arbeit mit Heuschrecken als ihrer biologischen Komponente. Heuschrecken dienen der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit Jahrzehnten als Modellorganismen, ähnlich wie Fruchtfliegen. Forscher haben ein aussagekräftiges Verständnis ihrer Geruchssensoren und der entsprechenden neuronalen Schaltkreise aufgebaut. Und verglichen mit Fruchtfliegen sind Heuschrecken größer und robuster.

Diese Kombination von Merkmalen ermöglicht es den MSU-Forschern, Elektroden relativ einfach an Heuschreckengehirnen anzubringen. Die Wissenschaftler zeichneten dann die Reaktionen der Insekten auf Gasproben auf, die von gesunden Zellen und Krebszellen produziert wurden, und verwendeten diese Signale dann, um chemische Profile der verschiedenen Zellen zu erstellen.

Es ist nicht das erste Mal, dass Sahas Team an so etwas arbeitet. Im Jahr 2020 leitete er an der Washington University in St. Louis eine Forschung, bei der Sprengstoffe mit Heuschrecken entdeckt wurden, eine Arbeit, die in ein MSU-Suchkomitee einfloss, das Saha rekrutierte, sagte Christopher Contag, der Direktor von IQ.

„Ich sagte ihm: ‚Wenn Sie hierher kommen, werden wir Krebs entdecken. Ich bin sicher, dass Ihre Heuschrecken das können'“, sagte Contag, der erste James-und-Kathleen-Cornelius-Lehrstuhlinhaber, der auch Professor an der Abteilung für Biomedizin ist Engineering und in der Abteilung für Mikrobiologie und Molekulargenetik.

Einer der Forschungsschwerpunkte von Contag war das Verständnis, warum Zellen von Mundkrebs unter den Mikroskopen und optischen Instrumenten seines Teams unterschiedliche Erscheinungen hatten. Sein Labor fand verschiedene Metaboliten in verschiedenen Zelllinien, was zur Erklärung der optischen Unterschiede beitrug. Es stellte sich heraus, dass einige dieser Metaboliten flüchtig waren, was bedeutete, dass sie in die Luft gelangen und erschnüffelt werden konnten.

„Die Zellen sahen metabolisch sehr unterschiedlich aus, und sie sahen auch optisch anders aus“, sagte Contag. „Wir hielten es für sehr sinnvoll, sie aus einer volatilen Perspektive zu betrachten.“

Die Heuschreckensensoren von Saha boten die perfekte Plattform, um dies zu testen. Die beiden Spartan-Gruppen arbeiteten zusammen, um zu untersuchen, wie gut die Heuschrecken gesunde Zellen von Krebszellen unterscheiden konnten, indem sie drei verschiedene orale Krebszelllinien verwendeten.

„Wir erwarteten, dass die Krebszellen anders aussehen würden als die normalen Zellen“, sagte Contag. „Aber als die Käfer drei verschiedene Krebsarten voneinander unterscheiden konnten, war das erstaunlich.“

Obwohl sich die Ergebnisse des Teams auf Mundkrebs konzentrierten, glauben die Forscher, dass ihr System mit jedem Krebs funktionieren würde, der flüchtige Metaboliten in den Atem einführt, was wahrscheinlich die meisten Krebsarten sind. Das Team beginnt eine Zusammenarbeit mit Steven Chang, dem Direktor des Kopf- und Halskrebsprogramms von Henry Ford, um sein Erkennungssystem mit menschlichem Atem zu testen.

Die Forscher sind auch daran interessiert, die chemische Wahrnehmungsfähigkeit von Honigbienen in die Falte zu bringen. Das MSU-Team hat bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Verwendung von Honigbienengehirnen zum Nachweis flüchtiger Biomarker für Lungenkrebs erzielt

Auch hier brauchen sich die Menschen keine Sorgen zu machen, Insektenschwärme in ihren Arztpraxen zu sehen. Das Ziel der Forscher ist es, einen geschlossenen und tragbaren Sensor ohne Insekt zu entwickeln, nur die biologischen Komponenten, die zum Erfassen und Analysieren flüchtiger Verbindungen benötigt werden – möglicherweise bevor andere, invasivere Techniken die Krankheit aufdecken können.

„Früherkennung ist so wichtig, und wir sollten jedes mögliche Werkzeug nutzen, um dorthin zu gelangen, egal ob es konstruiert ist oder uns durch Millionen von Jahren natürlicher Selektion zur Verfügung gestellt wurde“, sagte Contag. „Wenn wir erfolgreich sind, wird Krebs eine behandelbare Krankheit sein.“