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Diagnose der nächsten Generation
Einer der größten Träume der personalisierten Medizin ist es, Tumore zu erkennen und zu beseitigen, bevor sie lebensbedrohlich werden – bevor sie überhaupt auf medizinischen Bildern sichtbar werden. Jetzt heißt ein Startup aus Cambridge, MA Quanterix entwickelt eine extrem empfindliche Proteinerkennungstechnologie, die einzelne Moleküle zählen kann – und möglicherweise Spuren von charakteristischen Proteinen erkennen könnte, die winzige Tumore ins Blut freisetzen.
Lab auf einem Tipp: In die Spitze einer Glasfaser eingearbeitete Vertiefungen ermöglichen es Forschern, einzelne Proteine in Blutproben nachzuweisen. Jedes Well in diesem Bild hat einen Durchmesser von etwa 2,5 Mikrometern und sitzt an der Spitze eines einzelnen Fadens einer Glasfaser.
Die Prämisse ist, die Diagnose auf das empfindlichste Niveau zu bringen, sagt David Walt , einem Chemiker und Professor am Howard Hughes Medical Institute an der Tufts University, der die Quanterix-Technologie entwickelt hat. Spurenproteine im Blut könnten auch frühe Anzeichen von Herzerkrankungen, Alzheimer und anderen Erkrankungen aufdecken und eine nichtinvasive fetale Diagnostik ermöglichen.
Wenn wir die Ausgangswerte der Proteine im Serum verstehen könnten, könnte man damit die integrierte Gesundheit einer Person im Laufe des Lebens verfolgen, sagt Christopher Liebe , ein Chemieingenieur-Professor am MIT, der nicht an Quanterix beteiligt ist.
Mit den aktuellen klinischen Technologien können Krankenhauslabore nur die am häufigsten vorkommenden Proteine nachweisen – nur ein Viertel aller im Blut bekannten Proteine. Da Proteine im Blut in verschiedenen Konzentrationen von etwa 16 Größenordnungen vorhanden sind, maskieren reichliche Proteine die seltenen. Es ist, als würde man im Heuhaufen nach einem etwas anderen Stück Heu suchen, sagt Waldweiß , ein Bioingenieur am MIT.
Multimedia
Beobachten Sie, wie Proteine in einer Glasfaser aufleuchten.
Die aktuelle Nachweisgrenze liegt bei 10 Pikogramm Protein pro Milliliter Blut. Walt hat jedoch eine Nachweistechnik entwickelt, die es ihm ermöglicht, mit speziell behandelten Lichtwellenleitern einzelne im Blut vorhandene Proteinmoleküle zu zählen. Eine einzelne optische Faser ist ein Bündel aus Tausenden einzelner Glasfäden, von denen jeder einen eigenen Lichtstrom trägt. Durch Eintauchen optischer Fasern in Säure ätzt Walt sie mit Zehntausenden von Mikrowells, eine an der Spitze jedes Fadens. Das macht jede Faser effektiv zu einem großen Array von nanoskaligen Reagenzgläsern, von denen jedes dann mit Tausenden von Proteinen einfangenden Antikörpern beschichtet wird.
Die Spitze der Faser wird in ein Tröpfchen getaucht, das eine Blutprobe und ein auf Proteine gerichtetes Enzym enthält. Wenn das Protein im Blut, das in einer einzelnen Vertiefung eingeschlossen ist, vorhanden ist, wird es zwischen dem Antikörper und dem Enzym wie das Fleisch in einem Sandwich eingefangen. Wenn Walt Licht durch die optische Faser schickt, durchlaufen der Sandwich-Antikörper und das Enzym eine Reaktion, die rotes oder gelbes Fluoreszenzlicht erzeugt. Das Licht wandert durch die Glasfaser zurück.
Indem Walt zählt, wie viele Mikrotiterplatten aufleuchten, kann er die Konzentration eines Proteins in einer Blutprobe bestimmen. In einem unveröffentlichten Proof-of-Principle-Experiment sagt Walt, dass seine optische Fasermethode einen menschlichen Krebs-Biomarker in Kuhblut in 250-mal niedrigeren Konzentrationen als mit klinischen Techniken möglich nachweisen konnte.
Über die 800 oder mehr verbleibenden Blutproteine, die unter die aktuellen Nachweisgrenzen fallen, ist so wenig bekannt, dass Wissenschaftler über ihre klinische Relevanz nur spekulieren können. Wir sprechen mit Klinikern, um herauszufinden, worauf ein Test sinnvoll ist, sagt Walt. Sobald das Unternehmen Zielproteine ausgewählt hat, wird es Blutproben aus dem Krankenhausarchiv entnehmen und versuchen, den Proteingehalt mit den klinischen Ergebnissen zu korrelieren. Jedes Mal, wenn eine empfindlichere Technologie verfügbar wurde, habe sie neue Diagnosemöglichkeiten eröffnet und zu Fortschritten in der Behandlung geführt, sagt Walt.
Früherkennung kann eine Kehrseite haben. Wir wollen den Leuten keine Angst machen, indem wir ihnen sagen: „Sie haben einen frühen Tumor“, sagt Walt. Es kann sein, dass sich das Immunsystem um kleine Tumore kümmert. Daher müssen alle potenziellen Biomarker sorgfältig validiert werden. Aber selbst wenn die neue Methode nur zu einem Test auf einen einzigen Krebs-Biomarker führt, hofft Walt, dass sie die Überlebensrate einer großen Zahl von Menschen verbessern wird.
Wir glauben, dass dies das Potenzial hat, die Diagnostik zu verändern, sagt Walt.