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Krebsdiagnose in winzigen Tröpfchen

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Grüne Wassertröpfchen enthalten einen mutierten DNA-Abschnitt, rote Tröpfchen einen gesunden. Die dunklen Tröpfchen sind zu Beginn des Verfahrens leer ausgegangen und enthalten keine DNA. Foto: MPIDS

Ein hochempfindliches Verfahren, mit dem sich die Anzahl der Krebszellen in einer Probe bestimmen lässt, haben Wissenschaftler von der Universität in Straßburg, der Université Paris Descartes, des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der amerikanischen Firma Raindance Technologies jetzt 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. Die Forscher sind 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. (Lab on a Chip, 19. Mai 2011)

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 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.

Der internationalen Forschergruppe 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.

Am Anfang des Verfahrens steht das „Herstellen“ der winzigen Reagenzgläser. Eine wässrige Lösung, welche die DNA-Proben und zwei weitere Wirkstoffe enthält, wird nach und nach in Öl eingespritzt, so dass winzige Tröpfchen entstehen. Die Forscher konnten das Verfahren so optimieren, dass jeder Tropfen maximal einen DNA-Abschnitt enthält.

In einem nächsten Schritt unterziehen die Wissenschaftler 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.

Auf diese Weise lässt sich das Verhältnis roter zu grüner Tröpfchen exakt bestimmen. Das Verfahren erlaubt somit nicht nur eine bisher unerreichte Empfindlichkeit, sondern auch eine genaue, quantitative Analyse.

Dr. Birgit Krummheuer | Quelle: Max-Planck-Institut
Weitere Informationen: www.ds.mpg.de/

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