15.08.2022 - Terasaki Institute for Biomedical Innovation

Intelligente Kontaktlinsen für die Krebsdiagnostik und -vorsorge

Wissenschaftler des Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) haben eine Kontaktlinse entwickelt, die Exosomen auffangen und nachweisen kann. Dabei handelt es sich um nanometergroße Bläschen, die in Körpersekreten vorkommen und das Potenzial haben, diagnostische Krebs-Biomarker zu sein. Die Linse wurde mit Mikrokammern ausgestattet, die an Antikörper gebunden sind, die Exosomen in Tränen auffangen können. Diese mit Antikörpern konjugierte, signalgebende Mikrokammer-Kontaktlinse (ACSM-CL) kann zum Nachweis mit Nanopartikel-markierten spezifischen Antikörpern zur selektiven Visualisierung angefärbt werden. Dies bietet eine potenzielle Plattform für die Krebsfrüherkennung und ein unterstützendes Diagnoseinstrument, das einfach, schnell, empfindlich, kostengünstig und nicht-invasiv ist.

Exosomen werden in den meisten Zellen gebildet und in viele Körperflüssigkeiten, wie Plasma, Speichel, Urin und Tränen, ausgeschieden. Früher dachte man, sie seien die Müllhalde für unerwünschte Stoffe aus ihren Ursprungszellen, heute weiß man, dass Exosomen verschiedene Biomoleküle zwischen den Zellen transportieren können. Es hat sich auch gezeigt, dass Exosomen eine Vielzahl von Oberflächenproteinen enthalten - einige davon sind allen Exosomen gemeinsam, während andere als Reaktion auf Krebs, Virusinfektionen oder Verletzungen vermehrt vorkommen. Darüber hinaus können Exosomen, die aus Tumoren stammen, die Tumorregulation, das Fortschreiten und die Metastasierung stark beeinflussen.

Aufgrund dieser Fähigkeiten besteht ein großes Interesse an der Verwendung von Exosomen für die Krebsdiagnose und die Prognose/Behandlungsvorhersage. Dies wurde jedoch durch die Schwierigkeit behindert, Exosomen in ausreichender Menge und Reinheit für diesen Zweck zu isolieren. Die derzeitigen Methoden erfordern mühsame und zeitaufwändige Ultrazentrifugen und Dichtegradienten, deren Durchführung mindestens zehn Stunden dauert. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich beim Nachweis der isolierten Exosomen; die gängigen Methoden erfordern teure und platzraubende Geräte.

Das TIBI-Team hat sein Fachwissen im Bereich der Entwicklung und Herstellung von Kontaktlinsen-Biosensoren genutzt, um diese Isolierungsmethoden überflüssig zu machen, indem es den ACSM-CL zur Gewinnung von Exosomen aus Tränen entwickelt hat, die eine optimale und sauberere Quelle für Exosomen darstellen als Blut, Urin und Speichel.

Sie erleichterten und optimierten auch die Vorbereitung ihrer ACSM-CL durch den Einsatz alternativer Methoden. Bei der Herstellung der Mikrokammern für ihre Linse verwendete das Team ein direktes Laserschneide- und Gravurverfahren anstelle des herkömmlichen Gussverfahrens, um die Struktur sowohl der Kammern als auch der Linse zu erhalten.

Darüber hinaus führte das Team eine Methode ein, bei der die Oberflächen der Mikrokammern chemisch modifiziert wurden, um sie für die Antikörperbindung zu aktivieren. Diese Methode wurde anstelle von Standardverfahren eingesetzt, bei denen metallische oder Nanokohlenstoff-Materialien in teuren Reinraumumgebungen verwendet werden müssen.

Anschließend optimierte das Team die Verfahren zur Bindung eines Fänger-Antikörpers an die ACSM-CL-Mikrokammern und eines anderen (Positivkontrolle) Nachweisantikörpers an Goldnanopartikel, die spektroskopisch sichtbar gemacht werden können. Diese beiden Antikörper sind spezifisch für zwei verschiedene Oberflächenmarker, die auf allen Exosomen zu finden sind.

In einem ersten Validierungsexperiment wurde der ACSM-CL an Exosomen getestet, die in Überständen von zehn verschiedenen Gewebe- und Krebszelllinien sezerniert wurden. Die Fähigkeit, Exosomen zu erfassen und nachzuweisen, wurde durch die in allen Testproben beobachteten spektroskopischen Verschiebungen im Vergleich zu den Negativkontrollen bestätigt. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, als das ACSM-CL an zehn verschiedenen Tränenproben von Freiwilligen getestet wurde.

In abschließenden Experimenten wurden Exosomen in Überständen von drei verschiedenen Zelllinien mit unterschiedlichen Oberflächenmarker-Expressionen gegen das ACSM-CL getestet, zusammen mit verschiedenen Kombinationen markerspezifischer Nachweisantikörper. Die sich daraus ergebenden Muster der Erkennung und Nicht-Erkennung von Exosomen aus den drei verschiedenen Zelllinien entsprachen den Erwartungen, was die Fähigkeit des ACSM-CL bestätigt, Exosomen mit unterschiedlichen Oberflächenmarkern genau zu erfassen und zu erkennen.

"Exosomen sind eine reichhaltige Quelle für Marker und Biomoleküle, die für verschiedene biomedizinische Anwendungen genutzt werden können", sagte Dr. Ali Khademhosseini, Direktor und CEO von TIBI. "Die Methodik, die unser Team entwickelt hat, erleichtert es uns sehr, diese Quelle zu erschließen."

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