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Elekronische Nasen | Wie Krankheiten riechen

Ein künstliches Sinnesorgan soll in Zukunft bei der Krebsdiagnose helfen

Von Johanna Rüschoff
 
Josep Samitier hat eine Vision: Der Forscher aus Barcelona will mit seiner Technologie helfen, Leben zu retten. Eine elektronische Nase soll Krebstumore im Atem oder Urin von Patienten erschnüffeln. Noch vor drei Jahren hatte der Spanier sich nicht träumen lassen, dass es so weit kommen könnte. Vor drei Jahren nämlich startete die EU ein Projekt zur Entwicklung eines  künstlichen Riechorgans: mit dem Ziel, die Technologie eines Tages in der Medizin einsetzen zu können.

Nun forschten zu diesem Zeitpunkt viele Wissenschaftler auf der ganzen Welt schon an der Entwicklung einer künstlichen Nase. Ein neuer Ansatz war von Nöten. Und tatsächlich war das Vorgehen der Forscher des so genannten Spot Nosed Project schließlich eine Neuheit. Sie verwenden nicht wie die meisten anderen Forschungsteams künstlich hergestellte chemische Sensoren, um die elektronischen Nasen zu entwickeln, sondern lassen diese Sensoren mit Hilfe von gentechnischen Methoden in lebenden Zellen entstehen. „Wir vom  Spot Nosed Projekt waren die ersten, die Biosensoren mithilfe von im Reagenzglas nachgebildeten Riechrezeptoren von Tieren entwickelt haben“, erklärt Projektkoordinator Samitier von der Universitat de Barcelona.

Die Herstellung der Duftrezeptoren im Reagenzglas übernehmen  Hefezellen, die zuvor von Samitier und seinen Kollegen aus Spanien, Frankreich und Italien verändert wurden. Die Forscher verändern das Erbmaterial einer Hefezelle so, dass in ihrer Membran Duftrezeptoren produziert werden. Hefezellen eignen sich dafür besonders gut, weil ihr Erbmaterial gut erforscht ist und damit relativ leicht zu manipulieren. Dafür entnehmen die Wissenschaftler aus dem Erbgut von Ratten solche Gene, die für das Riechen zuständig sind, und pflanzen sie den Hefezellen ein. Diese Gene liefern den Bauplan für  Proteine, aus denen sich später die Duftrezeptoren zusammensetzen. Und obwohl die Hefezelle gar keine Duftrezeptoren braucht, produziert sie trotzdem munter die Proteine dafür.

Doch wie erkennt die elektronische Nase, welche Rezeptoren auf einen Geruch anspringen? Damit ein Computer die Reaktion der Rezeptoren auf Gerüche messen kann, legen die Forscher dann eine dünne Schicht der hergestellten Proteine zwischen zwei  Mikroelektroden. Trifft nun ein Duftmolekül auf die Rezeptoren, läuft ein Prozess ab, der der Natur nachempfunden ist: Wenn in der menschlichen Nase ein Duftmolekül an einen Rezeptor andockt, bekommt das Gehirn einen elektrischen Impuls. So wird auch bei den künstlichen Rezeptoren ein geringer Strom registriert - der Computer erkennt einen Geruch. Doch das Vorgehen ist mühsam.

Wie ein gewickelter Schlauch durchspannen Geruchsrezeptoren die Zellmembran in der menschlichen Nase. Jeder Rezeptor reagiert nur auf ein bestimmtes Protein. Zeichnung: Johanna Rüschoff

Haben die Wissenschaftler einen Biosensor vollendet, ist er von einem elektronischen Riechorgan noch weit entfernt. Tumore zu erschnüffeln, scheint zu diesem Zeitpunkt erst recht in weiter Ferne, denn in der menschlichen Nase befinden sich rund 1000 verschiedene Proteine, mit deren Hilfe der Mensch 10.000 unterschiedliche Gerüche wahrnehmen kann. Es gilt: Verschiedene Proteine reagieren mit unterschiedlichen Geruchstoffen und machen das menschliche Riechorgan damit äußerst komplex. Außerdem führen oft erst die Reaktionen verschiedener Rezeptoren gemeinsam zur Wahrnehmung eines bestimmten Geruchs. Diese Komplexität künstlich nachzuahmen ist nicht allzu einfach. Um ihr zumindest nahe zu kommen, müssen die Forscher sehr viele unterschiedliche Rezeptoren herstellen und miteinander vernetzen.

All die Mühe also, damit die Nanotechnologie am Ende fast so viel leistet wie der Mensch?

Nicht ganz. Die künstliche Nase hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem menschlichen Riechkolben: Der von Samitiers Team entwickelte Biosensor reagiert auf Gerüche schon in sehr geringer Konzentration. „Als wir mit der Forschung im Jahr 2003 begannen, konnten die Rezeptoren zwar erst einige wenige Gerüche wahrnehmen, waren aber schon sehr sensibel. Drei Jahre später hatten wir eine sehr hohe Sensibilität mit einer großen Spannweite verschiedener Gerüche verbunden, die die elektronische Nase wahrnimmt“, berichtet Samitier. Der Biosensor nimmt also fast eben so viele Gerüche wahr wie der Mensch, reagiert aber schon auf kleinste Konzentrationen, die die menschliche Nase gar nicht erst bemerkt.

Mit diesem Ergebnis seien den Anwendungen für elektronische Nasen im Grunde keine Grenzen gesetzt, berichtet Projektleiter Samitier. Hauptsache, es gibt etwas zu erschnüffeln. Zum Beispiel könnte die elektronische Nase als „Spürhund“ bei der Suche nach Bomben verwendet werden, verdorbene Nahrung ausfindig machen oder den Abgasausstoß kontrollieren.

Für Spürnasen unerträglich: Feine Düfte sollen in Zukunft die Echtheit von Schmuck anzeigen. Riechen können das nur besonders feine Nasen. Zeichnung: Heike Becker

Überhaupt liegt ein großer Teil der Anwendungen elektronischer Nasen im Bereich der Sicherheit. Daran arbeitet auch die Bundesdruckerei in Berlin, die sich von der staatlichen Wertdruckerei zu einem Anbieter vielfältiger Sicherheitssysteme entwickelt hat. Sie versieht hochwertige Markenprodukte wie zum Beispiel Designerschmuck mit Duftmarken, um sie von Fälschungen unterscheidbar zu machen. Der Duft des Schmuckstücks ist für den Menschen nicht wahrnehmbar, der Computer erkennt jedoch sofort, ob es sich bei einem Diamantcollier um eine geruchlose Fälschung handelt. Und für Produktpiraten ist es so gut wie unmöglich, mit dem Produkt auch dessen Duftnote zu kopieren, da die dazu benötigte Technologie hochkomplex ist.

Vielfältige Anwendung: Parfüms reproduzieren und Krebs diagnostizieren

Während künstliche Nasen hier eine Kopie unmöglich machen sollen, wollen Forscher in Japan sie dazu nutzen, Düfte exakt zu reproduzieren. Helfen soll das beim Online-Shopping von Parfums, die bislang lediglich anhand eines mehr oder weniger schönen Flakons ausgesucht werden können. Wenn es nach den Forschern geht, wird es bald an jedem Computer einen Duftrekorder geben, der jedes Parfum genau nachbildet. Doch dafür muss zunächst eine elektronische Nase den Duft entschlüsseln und damit einen Bauplan für den Rekorder liefern.
Für all diese Anwendungen haben Samitier und seine Forschungsgruppe eine neue Grundlage geschaffen, auch wenn es während des dreijährigen Projekts vor allem ihr Ziel war, neue medizinische Anwendungen zu ermöglichen. Das 2,3 Millionen Euro teure Projekt ist zwar beendet, an der Universitat de Barcelona wird aber natürlich weiter auf diesem Feld geforscht. Samitier will sich endlich auf seinen Bereich spezialisieren: die Krebsdiagnose.

Auch auf diesem Feld gibt es Konkurrenz: Seit Anfang 2007 sind mehrere Studien erschienen, die getestet haben, ob Hunde Lungenkrebs sozusagen erschnüffeln können. Die Vorteile einer solchen Diagnose liegen auf der Hand: Anstelle einer für den Patienten sehr belastenden Untersuchung sollen die Vierbeiner im Atem des Patienten die Krankheit riechen. Forscher um Michael McCulloch von der Pine Street Clinic in Kalifornien konnten zeigen, dass die trainierten Hunde Tumoren mit sehr hoher Treffsicherheit erschnüffeln können. Die Studie ist wegen ihres methodischen Vorgehens allerdings umstritten, Experten kritisieren vor allem die sehr geringe Zahl an Testtieren.

Tatsächlich am Krankenbett einsetzbar werden die Tiere sowieso wohl nicht sein, denn Hunde sind genau wie Menschen einer Tagesform unterworfen und können versagen - von hygienischen Vorschriften ganz abgesehen. Doch eine interessante Erkenntnis bleibt: Krebszellen scheinen einen anderen Geruch abzusondern als gesunde Zellen. Und hier will Samitier in Zukunft mit dem Biosensor weiterhelfen. Doch dazu fehlt noch ein entscheidendes Detail, nämlich die genaue Zusammensetzung dessen, was die Hunde im Atem oder Urin der Patienten erschnüffeln. Samitier muss mit seinem Team also erst einmal die „Krankheitsgerüche“ im Atem von Patienten definieren und die passenden Proteine finden, die auf diesen Geruch reagieren. Erschwert wird diese Arbeit dadurch, dass der Geruch je nach Patient und Stadium der Krankheit variieren kann. Ganz zu schweigen von verschiedenen Tumoren und Krankheiten. Deshalb ist es ungewiss, ob sich Samitiers Traum von einem „elektronischen Spürhund“ in der Medizin erfüllen wird.


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2006.


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Zeichnung: Heike Becker

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