Ein hochempfindliches Verfahren, mit dem sich die Anzahl der Krebszellen in einer Probe bestimmen lässt, hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam entwickelt. Die Forscher machen sich dafür Methoden der Mikrofluidik zunutze: Winzige Tröpfchen, die durch Mikrokanäle fließen und so gezielt manipuliert und analysiert werden können, dienen als mikroskopische Reagenzgläser für die entscheidenden molekularbiologischen Reaktionen.
Wie die Fachzeitschrift „Lab on a Chip“ berichtet, sind die Forscher so erstmals in der Lage, unter 200.000 gesunden DNA-Abschnitten einen einzigen krankhaft veränderten Abschnitt aufzuspüren. Dies entspricht einer Empfindlichkeit von 0,0005 Prozent.
Mutationen als Biomarker
Bei den meisten Krebsarten zeichnet sich die DNA der befallenen Zellen durch bestimmte Mutationen aus. Diese können somit als hoch spezialisierte Biomarker dienen, um Krebszellen zu identifizieren und damit eine Erkrankung möglichst frühzeitig zu diagnostizieren. Allerdings sind herkömmliche Analysemethoden Forschern zufolge nicht sehr empfindlich: Sie können die veränderten DNA-Abschnitte nur dann nachweisen, wenn sie mindestens zehn Prozent der Probe ausmachen.
Doch gerade Blut- oder Urinproben betroffener Patienten weisen oft nur zu weniger als 0,1 Prozent veränderte DNA auf. Ließen sich auch solche geringen Mengen nachweisen, wäre dies ein erster Schritt in Richtung frühzeitigerer Diagnose und gezielterer Therapie.
Wassertröpfchen werden zu Reagenzgläsern
Den Wissenschaftlern von der Universität in Straßburg, der Université Paris Descartes, des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der amerikanischen Firma Raindance Technologies ist es nun gelungen, genau dieses Problem zu lösen. Mit Hilfe der Mutation des so genannten KRAS Gens, die bei Leukämie, Lungen-, Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs auftritt, konnten sie eine Empfindlichkeit von 0,0005 Prozent erreichen.
Die neue Methode kombiniert jüngste Entwicklungen in der molekularen Diagnostik mit Methoden der Mikrofluidik. Dabei übernehmen winzige Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, die sich zu Tausenden herstellen und in Mikrokanälen manipulieren lassen, die Rolle von Reagenzgläsern: In jedem einzelnen Tropfen läuft die Reaktion zum Nachweis der veränderten Gene ab.
Jeder Tropfen enthält nur einen DNA-Abschnitt
Am Anfang des Verfahrens steht den Forschern zufolge das „Herstellen“ der winzigen Reagenzgläser. Eine wässrige Lösung, die die DNA-Proben und zwei weitere Wirkstoffe enthält, wird nach und nach in Öl eingespritzt, so dass winzige Tröpfchen entstehen. Die Wissenschaftler konnten das Verfahren so optimieren, dass jeder Tropfen maximal einen DNA-Abschnitt enthält.
In einem nächsten Schritt unterziehen die Forscher eine ganze Ansammlung von Tröpfchen einem Verfahren, das die DNA-Abschnitte vervielfacht. Die zusätzlichen Wirkstoffe, die anfangs zugeführt wurden, sorgen dafür, dass Tröpfchen mit veränderter DNA danach grün fluoreszieren, Tröpfchen mit gesunder DNA rot. Danach schleusen die Forscher die Tröpfchen wieder einzeln – wie auf einer Perlenkette aufgereiht – durch einen Mikrokanal, um dann grüne und rote Tröpfchen zu zählen.
Anzahl roter und grüner Tröpfchen ermittelt
Auf diese Weise lässt sich das Verhältnis roter zu grüner Tröpfchen exakt bestimmen. Das Verfahren erlaubt somit nach Angaben der Wissenschaftler nicht nur eine bisher unerreichte Empfindlichkeit, sondern auch eine genaue, quantitative Analyse.
(Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, 24.05.2011 – DLO)
