#Bakterien in Krebs-Spione verwandelt

„Speziell ausgebildete“ Mikroben könnten zukünftig frühere Krebs-Diagnosen ermöglichen: Forscher haben Bakterien so verändert, dass sie schwer zu entdeckende Krebsherde im Körper anhand von freigesetzter Tumor-DNA erkennen können. Sie haben das Konzept bereits erfolgreich zum Nachweis von Dickdarm-Krebs im Mausmodell eingesetzt. Ihr System könnte für die Diagnose verschiedener Erkrankungen angepasst werden und sogar lokal gezielte Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, sagen die Wissenschaftler.

Rechtzeitig erkannt – Gefahr gebannt: Eine frühe Diagnose ist bei vielen Krebsarten der Schlüssel zu einer erfolgreichen Behandlung. Bösartiges Gewebe kann dabei auch an bestimmten genetischen Mutationen erkannt werden, die oft mit dem wuchernden Potenzial dieser Zellen verbunden sind. Es ist bekannt, dass Tumorgewebe sein spezielles genetisches Material auch in die Umgebung abgibt. Diese losgelöste Krebs-DNA kann bereits gentechnisch detektiert werden. Doch diese Methode ist für die Diagnosen problematisch. Denn im Körper – etwa im Darmtrakt – wird die freie DNA relativ schnell durch Enzyme abgebaut. Deshalb wäre ein Verfahren wünschenswert, das die genetischen Krebs-Spuren direkt am Freisetzungsort erfasst und anschließend aufzeigt.

Genau dies kann offenbar die Methode leisten, die nun ein Team von US-amerikanischen und australischen Forschern präsentiert. Für ihr Biosensorik-System haben sie in raffinierter Weise das Potenzial einer Bakterienart ausgenutzt, die auch natürlicherweise zu den harmlosen Bewohnern des menschlichen Darmsystems gehört. Das Besondere an Acinetobacter baylyi ist dabei ein Merkmal, das als natürliche Kompetenz bezeichnet wird: Diese Bakterien schnappen sich gerne freie DNA aus der Umgebung auf und bauen sie an einer bestimmten Stelle in ihrem Erbgut ein. Für die Mikroben kann dies nützlich sein, denn daraus können sich manchmal vorteilhafte Merkmale ergeben. In der Fachsprache nennt man diese Form der Übertragung von Erbanlagen horizontalen Gentransfer.

Mikrobielle Tumor-DNA Sammler

„Da wir wussten, dass zellfreie DNA als Input fungieren kann, machten wir uns daran, Bakterien zu entwickeln, die vor Ort auf Tumor-DNA reagieren“, sagt Co-Autor Dan Worthley vom South Australia Health and Medical Research Institute in Adelaide. Durch gentechnische Verfahren haben die Forscher dazu die Einbau-Region im Genom von Acinetobacter baylyi gezielt angepasst: Durch bestimmte Module wird dort nun eine spezielle genetische Sequenz eingebaut, wenn sie das Bakterium in seiner Umgebung aufgesammelt hat. Es handelt sich dabei um einen Abschnitt eines Gens mit der Bezeichnung „KRAS“, das typischerweise bei Darmkrebserkrankungen bestimmte Mutationen aufweist.

Dass die Spion-Mikroben tatsächlich ein Stück der bei Krebs mutierten Version von KRAS aufgesammelt haben, wird durch eine Reporter-Funktion deutlich, erklären die Wissenschaftler: Durch raffinierte genetische Konstruktionen an der Einbaustelle haben sie eine Schalter-Funktion eingebaut. Nur bei der Integration der mutierten Form kommt es dabei zu einer Aktivierung eines genetischen Programms: Die Tumor-DNA schaltet ein Antibiotika-Resistenz-Gen ein, das die Mikroben unempfindlich gegenüber einer Behandlung mit dem Wirkstoff Kanamycin macht. Bei Sensor-Bakterien, die nur die „gesunde“ Version eingebaut haben, kommt es hingegen nicht zu einer Aktivierung der Resistenz und sie sterben auf Kulturmedium mit dem Antibiotikum. Mit anderen Worten: Durch diesen Effekt wird der „Krebsbefund“ nachweisbar.

Funktionsnachweis im Mausmodell

Inwieweit dieses Konzept auch praktisch funktioniert, testeten die Forscher zunächst an Organoiden aus Krebszellgewebe und dann schließlich im Mausmodell. Es handelte sich dabei um Tiere, bei denen die Bildung von Darmtumoren ausgelöst wurde, die eine KRAS-Mutation aufweisen. Diesen Tieren sowie gesunden Kontrollen injizierten die Forscher die Sensor-Bakterien in den Darm. Später wurde der Darminhalt dann entnommen und analysiert: Lösungen wurden auf Kanamycin-haltige Kulturmedien ausgebracht.

So zeigte sich: Bei den Proben von gesunden Mäusen, die nur das normale KRAS-Gen besitzen, wuchsen aufgrund der fehlenden Aktivierung der Reporter-Resistenz keine Sensor-Bakterien an. Viele der Mikroben aus den Krebs-Mäusen konnten hingegen anwachsen, da sie die mutierte Sequenz erfolgreich integriert hatten. „Es war unglaublich, als ich unter dem Mikroskop die Bakterien sah, die die Tumor-DNA aufgenommen hatten“, sagt Co-Erstautorin Josephine Wright vom South Australia Health and Medical Research Institute in Adelaide.

Wie die Forscher betonen, befindet sich ihr Konzept allerdings erst in einer frühen Phase der Entwicklung: Vor einem klinischen Einsatz müssen erst noch Fragen zur Sicherheit und zum praktischen Einsatz des Verfahrens geklärt werden. Doch sie sehen erhebliches Potenzial für die Medizin. Dabei hebt das Team hervor, dass das System auch für die Detektion anderer Krebsarten oder auch von Infektionskrankheiten schnell angepasst werden kann. Außerdem erscheint es möglich, dass sich die Sensor-Bakterien zukünftig sogar so gestalten lassen, dass sie auch vor Ort Behandlungen durchführen können. „Ein spannender Aspekt ist, dass die einmal eingefangene Ziel-DNA mit der direkten Verabreichung von Nanokörpern, Peptiden oder anderen Molekülen zur Behandlung von Krebs oder Infektionen gekoppelt werden könnte“, schreiben die Wissenschaftler.

Quelle: University of California – San Diego, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.adf3974

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