Neue Nanotechnologie zur Krebsfrüherkennung

Was wäre, wenn jedes Zuhause ein Krebsfrüherkennungssystem hätte? Der Forscher Joshua Smith entwickelt einen nanobiotechnologischen „Krebsalarm“, der nach Spuren der Krankheit in speziellen Biomarkern, die Exosomen genannt werden, sucht. In diesem zukunftsorientierten Vortrag spricht er über seinen Traum, die Krebserkennung zu revolutionieren und letztendlich Leben zu retten.

„Sie haben Krebs.“

Traurigerweise werden ca. 40 % von uns
diese drei Worte in ihrem Leben hören

und die Hälfte wird nicht überleben.

Das heißt, dass zwei von fünf
unserer engsten Freunde und Verwandten

mit einer Krebsart diagnostiziert werden

und einer sterben wird.

Neben körperlichen Beschwerden

wird sich ca. ein Drittel
der Krebsüberlebenden in den USA

für die Behandlung verschulden.

Außerdem ist es 2,5 Mal wahrscheinlicher,
dass sie Insolvenz anmelden

im Vergleich zu denen ohne Krebs.

Diese Krankheit ist tiefgreifend.

Sie ist emotional zehrend

und für viele finanziell zerstörend.

Jedoch muss eine Krebsdiagnose
kein Todesurteil sein.

Eine frühzeitige Krebsdiagnose,

zeitnah nach Entstehung,

ist einer der kritischen Faktoren,
um die Behandlungschancen zu verbessern,

den seelischen Einfluss zu verringern

und finanzielle Lasten zu minimieren.

Am wichtigsten dabei ist,

dass Krebsfrüherkennung --

was eines der grundlegenden Ziele
meiner Forschung ist --

die Überlebenschancen erhöht.

Wenn wir Brustkrebs als Beispiel nehmen,

sehen wir, dass die, die im Stadium 1
diagnostiziert und behandelt werden,

eine Wahrscheinlichkeit von 100 % haben,
die nächsten 5 Jahre zu überleben --

eine Chance, die auf 22 % sinkt,
wenn die Behandlung im Stadium 4 beginnt.

Es gibt ähnliche Tendenzen
bei Dickdarm- und Eierstockkrebs.

Uns allen ist bewusst,
dass eine frühe und korrekte Diagnose

entscheidend für das Überleben ist.

Das Problem ist,

dass viele Tools zur Krebsdiagnose

invasiv, teuer und oft ungenau sind,

und es vergeht qualvoll viel Zeit,
bis man die Ergebnisse bekommt.

Schlimmer ist es jedoch,
dass es bei Krebsarten

wie Eierstock-, Leber-
oder Bauchspeicheldrüsenkrebs

keine guten Screeningmethoden gibt.

Daher müssen Menschen oft warten,
bis körperliche Symptome auftreten,

welche selbst bereits Indikatoren
für ein spätes Stadium sind.

Das ist wie ein Tornado in einem Gebiet,
das kein Frühwarnsystem hat.

Es gibt keine Warnung vor der Gefahr,

da die bereits auf Ihrer Türschwelle ist,

wenn die Überlebenschancen
extrem gering sind.

Der Komfort und das Vorhandensein
von regelmäßigen Screeningmöglichkeiten,

die bezahlbar und nicht-invasiv sind
und viel früher Ergebnisse liefern können,

würden uns mit einer beeindruckenden Waffe
im Kampf gegen Krebs ausstatten.

Eine frühe Warnung würde uns erlauben,
der Krankheit voraus zu sein,

anstatt bloß ihrem
schonungslosen Erwachen zu folgen.

Und das ist genau das, was ich mache.

In den letzten 3 Jahren
entwickelte ich Technologien,

die Klinikärzten letztendlich

mit schnellen Krebsdiagnosen
im Anfangsstadium helfen können.

Und mich treibt eine
große wissenschaftliche Neugier an

und der Wille,
diese Statistiken zu ändern.

Jedoch wurde letztes Jahr

dieser Kampf viel persönlicher,

als bei meiner Frau
Brustkrebs diagnostiziert wurde.

Das war eine Erfahrung, die eine starke
und unerwartet emotionale Dimension

zu dieser Arbeit hinzufügte.

Ich weiß aus erster Hand, wie
lebensverändernd die Behandlung sein kann,

und mir ist das emotionale
Chaos sehr bewusst,

das Krebs bei der Familie anrichten kann,

die in unserem Fall
zwei junge Töchter einschloss.

Da wir den Krebs zeitig
während eines Routine-Mammogramms fanden,

konzentrierten wir uns
primär auf Behandlungsoptionen

für den lokalisierten Tumor,

was mir erneut bestätigte,
wie wichtig eine frühe Diagnose ist.

Anders als bei anderen Krebsarten,

sind Mammogramme für Brustkrebs
eine Screeningoption des Anfangsstadiums.

Dennoch lässt sie nicht jeder machen

oder sie entwickeln Brustkrebs,

bevor das empfohlene mittlere Alter
für Mammogramme erreicht ist.

Es gibt also sehr viel
Verbesserungspotenzial,

sogar für Krebsarten
mit Screeningmöglichkeiten

und natürlich erhebliche Vorteile

für die ohne.

Eine Hauptaufgabe
der Krebsforscher ist es also,

Methoden zu entwickeln,

die regelmäßige Screenings
für viele Krebsarten

viel zugänglicher machen.

Stellen Sie sich ein Szenario vor,

in dem der Arzt

während einer Routineuntersuchung
eine einfache, nicht-invasive Urinprobe

oder andere Flüssigkeiten entnimmt

und die Ergebnisse präsentiert,
noch bevor Sie das Zimmer verlassen.

Solch eine Technologie könnte
die Zahl der Menschen,

die durch das Netz einer frühen Diagnose
fallen, drastisch reduzieren.

Mein Forschungsteam
aus Ingenieuren und Biochemikern

arbeitet an genau dieser Herausforderung.

Wir arbeiten an einer Lösung
für eine regelmäßige frühe Krebswarnung,

indem wir Screenings etablieren,
die beginnen, wenn eine Person gesund ist,

damit Maßnahmen getroffen werden können,
um den Krebs beim Auftreten zu stoppen,

noch bevor er über
das Anfangsstadium hinauswächst.

Die Wunderwaffe sind hier winzige Vesikel,

kleine Rettungskapseln, die von Zellen
mit dem Namen Exosomen stammen.

Exosomen sind wichtige Biomarker,

die ein Frühwarnsystem
für die Krebsentwicklung bieten.

Weil sie im Übermaß vorhanden sind,
in ungefähr jeder Körperflüssigkeit

einschließlich Blut, Urin und Speichel,

eignen sie sich hervorragend für
nicht-invasive Biopsien von Flüssigkeiten.

Es gibt nur ein Problem.

Ein automatisches System,
das diese Biomarker schnell sortiert

ist momentan nicht vorhanden.

Wir entwickelten eine Technologie,
die wir Nano-DLD nennen

und die genau das kann:

das automatische Isolieren von Exosomen,

um schnelle Krebsdiagnosen zu fördern.

Exosomen sind so gesehen
die neusten Frühwarnmittel

im Bereich der Flüssigkeitenbiopsie.

Sie sind sehr, sehr klein.

Der Durchmesser beträgt
30 bis 150 Nanometer.

Das ist so klein,

dass ca. 1 Million davon
in nur ein rotes Blutkörperchen passen.

Das ist der Unterschied
zwischen einem Golfball

und einem feinem Sandkorn.

Einst als kleine Abfalleimer
für unerwünschten zellularen Müll abgetan,

weiß man nun,

dass Zellen wirklich kommunizieren,

in dem sie Exosomen produzieren
und absorbieren,

die Oberflächenrezeptoren,

Proteine und anderes Erbgut
aus der Ursprungszelle beinhalten.

Bei der Aufnahme durch eine Nachbarzelle

geben Exosomen ihre Inhalte
in die absorbierende Zelle frei

und können fundamentale Änderungen
in der Exprimierung bewirken --

einige sind gut

und andere, wie Krebs,

sind schlecht.

Weil sie vom Material
der Mutterzelle umgeben sind

und eine Probe der Umgebung beinhalten,

liefern sie eine genetische Momentaufnahme
der Zellgesundheit und ihrer Herkunft.

All diese Eigenschaften
machen Exosomen zu unbezahlbaren Boten,

die es Ärzten potentiell erlauben,

den Gesundheitsstand
auf zellularer Ebene einzusehen.

Um Krebs jedoch früh zu erkennen,

muss man diese Botschaften
regelmäßig abhören,

um festzustellen, wann im Körper
krebserregende Störenfriede entscheiden,

einen Coup zu starten.

Darum sind regelmäßige Screenings wichtig

und deshalb entwickeln wir
Technologien, die das ermöglichen.

Obwohl exosomenbasierte Diagnostika
dieses Jahr auf den Markt kamen,

sind sie noch kein Bestandteil
des regulären Gesundheitswesens.

Zusätzlich zu ihrer jungen Entstehung

ist ein weiterer Aspekt,
der die umfassende Einführung begrenzt,

dass es momentan kein automatisches System
zur Isolierung von Exosomen gibt,

das ein regelmäßiges Screening
kostengünstig verfügbar macht.

Der momentane Maßstab
in Sachen Exosomenisolierung

beinhaltet Ultrazentrifugation,

ein Prozess, der teures Laborequipment,

einen geübten Laboranten

und ca. 30 Stunden benötigt,
um eine Probe zu bearbeiten.

Wir entwickelten eine andere Methode
für eine automatisierte Exosomenisolation

etwa einer Urinprobe.

Wir nutzen eine chipbasierte,
kontinuierlich fließende Teilungsmethode,

Deterministic Lateral Displacement.

Damit machten wir das,

was die Halbleiterindustrie so erfolgreich
in den letzten 50 Jahren machte.

Wir schrumpften die Dimensionen
dieser Technologie

vom Mikrometermaßstab
zum echten Nanomaßstab.

Wie funktioniert das?

Kurz gefasst

wird eine Reihe kleiner Säulen,
getrennt von nanoskopischen Lücken,

so angeordnet,

dass sie die Flüssigkeit
in Stromlinien teilt,

sodass die größeren,
Krebs-assoziierten Nanopartikel

durch eine Weiterleitung von kleineren,
gesunden Partikeln getrennt werden.

Diese können sich

mit einer Zickzack-Bewegung
um die Säulen herum

in Fliessrichtung bewegen.

Das Ergebnis ist eine komplette Trennung
dieser beiden Partikelgruppen.

Vorstellen können Sie sich diese Teilung

wie den Verkehr auf einer Schnellstraße,
die sich in zwei Straßen aufteilt.

Eine davon führt

in einen niedrigen Tunnel unter einem Berg

und die andere Straße führt drumherum.

Die kleineren Autos
können durch den Tunnel fahren,

während die größeren Lastwagen,
mit potentiell gefährlichem Material,

die Umleitung nehmen müssen.

Der Verkehr wird so effektiv
nach Größe und Ladung geteilt,

ohne den Fluss zu behindern.

Genau so funktioniert unser System
in einem sehr viel kleineren Rahmen.

Die Idee dahinter ist,
dass der Teilungsprozess für Screenings

genauso einfach wie das Auswerten
einer Urin-, Blut- oder Speichelprobe ist,

was eine kurzfristige Möglichkeit
innerhalb der nächsten Jahre ist.

Letztendlich könnte es zur Isolation
und Erkennung von Exosomen genutzt werden,

die mit einer bestimmten Krebsart
in Verbindung gebracht werden,

indem ihre Präsenz innerhalb von Minuten
aufgespürt und mitgeteilt wird.

Das würde schnelle Diagnosen
nahezu mühelos machen.

Vereinfacht gesagt

würde die Möglichkeit der Teilung
und Anreicherung von Biomarkern,

mit nanoskaliger Präzision
und automatisiert,

die Tür für ein besseres Verständnis
solcher Krankheiten wie Krebs öffnen --

mit Einsatzbereichen
von Probenpräparation über Diagnostik

und von Arzneimittelresistenzüberwachung
bis zur Therapeutik.

Sogar bevor meine Frau Krebs entwickelte,

war es mein Traum, die Automatisierung
dieses Prozesses zu vereinfachen,

um regelmäßige Screenings
erschwinglicher zu machen,

ähnlich wie Henry Ford das Automobil

für die Allgemeinheit bezahlbar machte,

indem er das Fliessband entwickelte.

Automatisierung ist
der Schlüssel für Zugänglichkeit.

Im Geiste des Hoover-Traums

„Ein Huhn in jedem Topf
und ein Auto in jeder Garage“

entwickeln wir eine Technologie,

die letztendlich
ein Krebs-Früherkennungssystem

in jedes Zuhause bringen könnte.

Das würde jedem Mann,
jeder Frau und jedem Kind

die Möglichkeit regelmäßiger Tests geben,
während sie noch gesund sind,

und Krebs beim ersten Auftreten erkennen.

Es ist meine Hoffnung und mein Traum,

Menschen weltweit zu helfen,
hohe Kosten zu vermeiden --

physische, finanzielle und seelische --

denen sich Krebspatienten
heute gegenüber sehen.

Schwierige Umstände, die ich gut kenne.

Ich freue mich auch mitzuteilen,
dass aufgrund der frühen Krebsdiagnose

die Behandlung meiner Frau erfolgreich war

und sie jetzt krebsfrei ist.

(Applaus)

Dieses Ergebnis würde ich gerne
bei jedem mit einer Krebsdiagnose sehen.

Mit der Arbeit, die mein Team

bei der nanoskaligen Biomarkertrennung

für eine frühe Krebsdiagnose
geleistet hat,

bin ich optimistisch,
dass diese Technologie

innerhalb des nächsten Jahrzehnts
verfügbar sein wird,

um unsere Freunde, Familie
und zukünftige Generationen zu schützen.

Sogar wenn wir das Pech haben,
Krebs diagnostiziert zu bekommen,

wird diese frühe Warnung
ein Hoffnungsschimmer sein.

Danke.

(Applaus)