Neuer Durchbruch in der Krebsfrüherkennung: „Molekularer Angelhaken“ fängt „unsichtbare Signale“ ein

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Tingting, Miao Peng (Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Aufgrund von Faktoren wie Ernährung, Umwelt und einer alternden Bevölkerung ist die Zahl der Krebserkrankungen weltweit in den letzten Jahren weiter angestiegen und Krebs ist allmählich zur häufigsten Todesursache geworden. Vor Kurzem veröffentlichte das Nationale Krebszentrum den Nationalen Krebsbericht 2024, der die neuesten Statistiken zu neuen Krebsfällen und Sterberaten in China im Jahr 2022 enthält.

Umfragedaten zeigen, dass die Zahl der neuen Krebsfälle in China im Jahr 2022 bei etwa 4,8247 Millionen liegen wird, die Zahl der neuen Krebsfälle bei etwa 2,5742 Millionen. Die fünf am häufigsten neu diagnostizierten Krebsarten sind Lungenkrebs, Dickdarmkrebs, Schilddrüsenkrebs, Leberkrebs und Magenkrebs.

Anti-Krebs

(Bildquelle: pixabay)

Der Schlüssel zur Krebsprävention liegt in der Frühdiagnose und Frühbehandlung

Das Lesen dieser Daten lässt die Leute erschaudern! Noch erschreckender ist, dass einige der frühen Anzeichen einer Krebserkrankung deutliche Symptome wie verstopfte Nase, blutiger Nasenausfluss, Nasenbluten, Tinnitus, Ohrenschmerzen, unerklärliches anhaltendes leichtes Fieber, ungewöhnliche Knoten und nicht heilende Geschwüre sind.

Allerdings verursachen die meisten Krebserkrankungen im Frühstadium normalerweise keine offensichtlichen Symptome und die Krebserkrankung schreitet oft sehr schnell fort. Wenn Sie mit der Suche nach medizinischer Hilfe warten, bis Symptome auftreten, ist der Krebs möglicherweise bereits in ein fortgeschrittenes Stadium fortgeschritten, in dem die Behandlung wesentlich schwieriger und komplizierter wird.

Wenn es uns gelingt, Krebs in einem frühen Stadium zu diagnostizieren, können wir ihn beispielsweise durch eine Operation vollständig heilen. Daher ist die wichtigste Maßnahme zur Krebsprävention eine frühzeitige Diagnose und Behandlung.

Zu den gängigen Methoden zur Krebsfrüherkennung zählen Röntgen, Ultraschall, Gastroskopie, Koloskopie usw. Diese Methoden verursachen jedoch nicht nur große Schmerzen für die Betroffenen, sondern haben auch Nachteile wie geringe Sensitivität, lange Dauer und hohe Kosten.

Gibt es also eine gute Möglichkeit, effizient und sensitiv festzustellen, ob Menschen Krebs haben?

miRNA kann als „unsichtbares Signal“ zur Krebsfrüherkennung genutzt werden

Hier müssen wir „miRNA“ einführen, auch bekannt als microRNA, eine sehr kleine Nukleinsäure. Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2024 wird Victor Ambros und Gary Ruvkun für ihre Entdeckungen der miRNAs und ihrer Rolle bei der posttranskriptionellen Genregulation verliehen.

Viele von Ihnen fragen sich vielleicht, was miRNA ist? Was ist seine Funktion und was kann es? Warum wird ihm eine so hohe Ehre zuteil?

Wir alle wissen, dass der Mensch ein hochentwickeltes Tier ist, das über die Fähigkeit zur Sprache, zum Denken und zur Wahrnehmung verfügt, doch die Anzahl der Gene ist bei Menschen, Enten, Fliegen und sogar Bananen ähnlich ! Viele Freunde sind möglicherweise schockiert. Was verursacht einen so großen Unterschied? Die meisten davon sind auf miRNA zurückzuführen.

Jedes Gen in einem Organismus ist wie eine Taschenlampe in einem Raum, die ein- und ausgeschaltet werden kann und deren Lichtintensität reguliert werden kann. Obwohl die Anzahl der Blitze gleich ist, führen unterschiedliche Lichtverhältnisse und unterschiedliche Lichtstärken letztendlich zu unterschiedlichen Helligkeitsstufen im Raum. Die Unterschiede zwischen den Arten sind in dieser Hinsicht ähnlich. miRNA spielt die Rolle eines Genschalters und steuert die Expression bestimmter Gene. Jede Zelle in unserem Körper erfüllt ihre Aufgaben, und Mikro-RNAs bilden da keine Ausnahme.

miRNA ist in jeder Zelle vorhanden und kann stabil im Blut zirkulieren. Sie sind die Quelle von Gesundheitssignalen im Körper. Wenn unser Körper durch eine bakterielle Infektion, einen Virusbefall usw. geschädigt wird, ändert sich der miRNA-Spiegel erheblich, um uns auf die Gefahr aufmerksam zu machen. Insbesondere bei der Krebsprävention können wir das Risiko einen Schritt vor dem Auftreten der Krankheit vorhersagen, solange wir abnormale Signale von miRNA empfangen.

Entwicklung eines „molekularen Hakens“ zum Auffangen der „unsichtbaren Signale“ von Krebs

Wie können wir also den Zusammenhang zwischen den von miRNA ausgesendeten Signalen und bestimmten Krankheiten genau bestimmen?

Wir müssen ein flexibles, effizientes und genaues Erkennungssystem entwickeln.

Unser Team (Miao Pengs Gruppe am Suzhou Institute of Biomedical Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften) beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Erkennung krebsbezogener miRNA. Durch detaillierte Forschungen zur Struktur von Nukleinsäuren haben wir einen geschickten „molekularen Haken“ entwickelt, nämlich die „DNA-Kegelstumpf-Nanostruktur“, die das „unsichtbare Signal“, das Beutemolekül miRNA von Krebs, empfindlich und schnell einfangen kann.

Hier müssen wir das Konzept „Nano“ einführen. Wenn man ein Haar entlang seines Durchmessers aufschneidet und es dann in 100.000 Teile unterteilt, beträgt der Durchmesser jedes neuen Haares 1 Nanometer. Daher sind DNA-Nanostrukturen sehr klein und können in vielen Szenarien frei im Körper fließen.

Wie also werden DNA-Kegelstumpfstrukturen im Nanomaßstab zusammengesetzt?

Die meisten Kinder haben schon einmal Lego gespielt. Dabei werden durch die Kombination von Blöcken unterschiedlicher Formen und mit unterschiedlichen Montagemethoden unterschiedliche geometrische Modelle gebaut. Der Aufbau von DNA-Zapfenstümpfen ähnelt diesem Prinzip. Wir müssen unterschiedliche DNA-Moleküle entwerfen, um verschiedene Bausteine ​​zu ersetzen und die räumliche Struktur des Kegelstumpfes nach bestimmten Regeln zu formen.

Der Prozess des „molekularen Hakens“, der ein „unsichtbares Signal“ einfängt

(Bildquelle: Referenz 2)

Wir haben zunächst ein DNA-Dreieck aus vier Ketten (TPF1, TPF2, TPF3, TPF4) zusammengesetzt und es auf der Oberfläche einer Goldelektrode befestigt. Unter ihnen tragen die drei Ketten TPF1, TPF2 und TPF3 alle eine Gruppenbezeichnung namens DBCO. Wir verfügen außerdem über eine spezielle Kette (TPF5), die als „Köder“-Kette fungiert, um „Beute“-miRNA einzufangen. Seine spezifische Region kann an die drei Ketten TPF1, TPF2 und TPF3 binden und so die DBCO-Gruppe im Kegelstumpf „molekularer Haken“ versiegeln.

Da TPF5 eine stärkere Bindungsaffinität zu miRNA hat, bindet miRNA bevorzugt an TPF5. Wenn also die „Beute“-miRNA erscheint, wirkt TPF5 wie ein „Köder“.

Wenn der Köder TPF5 an die miRNA der Beute bindet, öffnet sich die Spitze des ursprünglich geschlossenen Kegelstumpfes und nimmt wieder eine offene dreieckige Struktur an. Zu diesem Zeitpunkt wird es eine doppelsträngige spezifische Nuklease namens DSN geben, die wie eine Schere die gebundenen TPF5- und miRNA-Hybridketten durchtrennen kann, wodurch die miRNA „ihre Freiheit zurückerlangt“. Auf diese Weise kann die freigesetzte „Beute“-miRNA erneut an den „Köder“ TPF5 auf einem anderen Frustum binden und so mehr TPF5 einfangen.

Nach vielen Zyklen werden fast alle Kegelstümpfe zu offenen dreieckigen Strukturen. Zu diesem Zeitpunkt hat die „Beute“-miRNA auch genügend „Köder“ gefangen. Wenn zu viel vom „Köder“ TPF5 verloren geht, werden die Ketten mit DBCO-Tags (TPF1, TPF2, TPF3) freigelegt. Zu diesem Zeitpunkt verbinden sie sich mit einer anderen Sondenkette P1 mit einer N3-Gruppe an einem Ende und bilden so eine spezielle Haarnadelstruktur auf der Oberfläche der Goldelektrode.

Da das andere Ende der Sondenkette P1 das Signalmolekül Ferrocen trägt, können wir durch die elektrochemische Arbeitsplattform signifikante Änderungen im Strompeak beobachten. Wenn die miRNA-Konzentration zunimmt, wird der Peak der Stromkurve immer höher.

Im Gegensatz dazu ist die DBCO-Gruppe im Kegelstumpf eingeschlossen, wenn keine miRNA vorhanden ist, die TPF-Kette kann nicht an die P1-Kette binden, die Haarnadelstruktur kann sich nicht auf der Elektrodenoberfläche bilden und in der voltammetrischen Kurve ist kein offensichtlicher Peak zu erkennen. Auf diese Weise können wir durch Messung des Spitzenwerts der Kurve indirekt den Gehalt an „unsichtbarem Signal“ miRNA bestimmen und so die Krankheit im Voraus vorhersagen.

Diese Strategie, „molekulare Haken“ zum Auffangen „unsichtbarer Signale“ des Krebses zu verwenden, ist in ihrer Konzeption fortschrittlich und in ihrer Konstruktion genial und kann dazu beitragen, eine Vielzahl von hochriskanten präkanzerösen Läsionen in einem frühen Stadium zu erkennen.

Zukünftig sollen „molekulare Haken“ in der klinischen Krebsfrüherkennung eingesetzt werden

Der Kegelstumpf, der als „molekularer Haken“ dient, wird aus Nukleinsäureketten im menschlichen Körper zusammengesetzt, weist eine hohe Biokompatibilität auf und wird voraussichtlich in der klinischen Praxis eingesetzt. Um das Ergebnis zu erhalten, müssen Sie bei der Testung lediglich eine kleine Menge Serum der zu testenden Person entnehmen und 30 Minuten auf die Reaktion warten. Wenn der miRNA-Wert den Normbereich überschreitet, weist dies darauf hin, dass bei der getesteten Person möglicherweise ein Krebsrisiko besteht und sie rechtzeitig zu weiteren Untersuchungen ins Krankenhaus gehen sollte, um das Ziel einer Früherkennung, Frühbehandlung und frühzeitigen Genesung zu erreichen.

Das Leben ist unbekannt, aber wir können die Macht der Technologie nutzen, um Risiken frühzeitig zu „erkennen“ und so früh wie möglich einzugreifen. Anstatt Angst vor Krebs zu haben, ist es besser, ihn zu verhindern, bevor er auftritt. Lassen Sie uns gemeinsam handeln und unsere Gesundheit fördern!

Quellen:

(1)Han, BF; Zheng, RS; Zeng, HM; Wang, SM; Sonne, KX; Chen, R.; Li, L.; Wei, WQ; He, J. Krebsinzidenz und -mortalität in China, 2022. Journal of the National Cancer Center 2024, 4, 47-53.

(2)Wang, TT; Zheng, XY; Chai, H.; Miao, P. Durch DNA-Nanostrukturzerfall unterstützte SPAAC-Ligation für elektrochemische Biosensorik. Nano Letters 2024, 24, 12233-12238.

(3)Lee, RC; Feinbaum, RL; Ambros, V. Das heterochrone Gen Lin-4 von C. Elegans kodiert kleine RNAs mit Antisense-Komplementarität zu Lin-14. Cell 1993, 75, 843-854.