Neue Methode zur Einschätzung des Brustkrebsrisikos
Forscher von City of Hope®, einer Organisation für Krebsforschung und -behandlung, und der Universität von Kalifornien, Berkeley, haben eine neuartige mikrofluidische Plattform entwickelt, die das Brustkrebsrisiko von Frauen auf zellulärer Ebene bewerten kann.
Wie funktioniert die neue Plattform?
Die Plattform ist einzigartig und drückt einzelne Brustepithelzellen zusammen. Dadurch entsteht eine belastende Umgebung, in der sie sich verformen und erholen müssen. Dies hilft, ihr Verhalten unter Stress zu messen, wie in einer neuen Studie veröffentlicht in Lancet’s eBioMedicine, beschrieben wird.
Bedeutung der Methode
Da mehr als 90% der Frauen keinen bekannten genetischen Risikofaktor oder eine Familiengeschichte von Brustkrebs haben, könnte dieser innovative Ansatz eine kritische Lücke in der Risikobewertung schließen und unzählige Leben retten.
Für Frauen mit einem bekannten genetischen Risikofaktor für Brustkrebs gibt es Möglichkeiten, wie die Befolgung eines Screening-Protokolls für Hochrisikopatientinnen. Für alle anderen bleibt die Frage: ‚Bin ich einem hohen Risiko ausgesetzt?‘ Indem physische Veränderungen in Zellen in quantifizierbare Daten übersetzt werden, bietet dieses Werkzeug den Frauen etwas Greifbares, um mit ihren Ärzten darüber zu sprechen – nicht nur Risikoschätzungen, sondern Beweise, die direkt aus ihren eigenen Zellen stammen.“
Mark LaBarge, Ph.D., Professor, Department of Population Sciences bei City of Hope
Die Forscher beider Institutionen entwickelten einen Algorithmus für maschinelles Lernen, der Zellen identifiziert und misst, die Anzeichen einer beschleunigten Alterung zeigen, und somit einen individuellen Brustkrebsrisikowert quantifiziert. Wichtig ist, dass die KI-Plattform einfache Elektronik verwendet, die leicht und kostengünstig im großen Maßstab reproduzierbar ist.
Kosten und Zugänglichkeit
„Unser Team ist nicht das erste, das die mechanischen Eigenschaften von Zellen misst; andere Ansätze erfordern jedoch fortschrittliche Bildgebungstechnologien, die teuer, umständlich und nur begrenzt verfügbar sind“, sagte Lydia Sohn, Ph.D., Professorin für Maschinenbau an der UC Berkeley. „Im Gegensatz dazu verwendet MechanoAge Computerchips, die einfacher sind als eine Apple Watch und ‚Radio Shack Teile‘, die günstig und einfach zu montieren sind, was das Gerät potenziell skalierbar macht.“
Aktuelle Risikobewertung von Brustkrebs
Etwa 6% der Frauen, die Brustkrebs entwickeln, tragen bekannte genetische Mutationen. Für Frauen außerhalb dieser Gruppe wird das Risiko indirekt anhand von Bevölkerungsmodellen oder Messungen wie der Brustdichte geschätzt. Diese Ansätze können sowohl zu einer Überschätzung als auch zu einer Unterschätzung des individuellen Brustkrebsrisikos führen, was unter Umständen zu übermäßigem Screening, zu wenig Screening, unnötiger Sorge oder verpassten Warnzeichen führt.
Derzeit gibt es keinen nicht-genetischen Test, der Frauen mit höherem Risiko für Brustkrebs identifizieren kann. Ein Nachteil von Screening-Mammographien besteht darin, dass sie Krebs nur dann erkennen können, wenn er bereits zu wachsen begonnen hat. Mit der MechanoAge-Plattform haben die Forscher den wissenschaftlichen Fokus auf zellulärer Ebene verlagert und das Risiko durch die Betrachtung physischer Veränderungen in einzelnen Zellen berechnet.
Neue Erkenntnisse über das mechanische Alter von Zellen
Mit der innovativen Plattform entdeckten die Forscher einen unerwarteten Einblick: Brustzellen scheinen ein „mechanisches Alter“ zu haben, das unabhängig vom chronologischen Alter einer Person ist, wie daran gezeigt wird, wie die Zellen physisch auf Stress reagieren. Während Ingenieure das Altern von Materialien wie Metallen, Beton und Polymeren untersuchen, ist dies das erste Mal, dass das mechanische Alter in biologischen Zellen quantifiziert wurde. Diese grundlegende wissenschaftliche Entdeckung wäre ohne MechanoAge nicht möglich gewesen.
„Wir haben gelernt, dass das mechanische Alter, bestimmt durch die Reaktion der Zellen auf das Zusammendrücken durch unser mikrofluidisches Gerät, desto höher das Risiko für Brustkrebs ist“, sagte Dr. Sohn.
Wie die Messung funktioniert
Bei dieser Art der Mechano-Node-Pore-Sensierung wird ein elektrischer Strom über einen mit Flüssigkeit gefüllten Kanal gemessen, ähnlich wie der Strom über einen Draht. Während Zellen hindurchgehen, stören sie den Strom und generieren Messungen über die Größe und Form der Zellen. Indem Teile des Kanals sehr schmal gemacht werden, drücken die Forscher die Zellen zusammen und messen, wie lange jede Zelle benötigt, um ihre normale Form wiederzuerlangen.
Die von den Forschern entwickelten Algorithmen für maschinelles Lernen wurden dann verwendet, um Unterschiede in Zellen von älteren und jüngeren Frauen zu erkennen. Die Forscher fanden heraus, dass sich die physikalischen Eigenschaften von Brustzellen mit dem Alter ändern; Zellen von älteren Frauen waren steifer und benötigten länger, um sich nach dem Zusammendrücken zurückzubilden.
Überraschende Ergebnisse
Dann kam eine überraschende Entdeckung: Eine Untergruppe von jüngeren Frauen hatte Zellen, die sich verhielten, als kämen sie von älteren Frauen. Diese Zellen stammten von Frauen mit genetischen Mutationen, die sie einem hohen Risiko für Brustkrebs aussetzen.
Anschließend verfeinerten die Forscher den Algorithmus, um einen Risikowert basierend auf allen gemessenen mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Zellen zuzuordnen. Dieser Algorithmus identifizierte erfolgreich Frauen mit bekannten genetischen Risiken. Als Nächstes verwendete das Team ihn, um Zellen von gesunden Frauen, Frauen mit familiärer Vorbelastung für Brustkrebs und Zellen zu vergleichen, die von der gesunden Brust von Frauen mit Brustkrebs in der anderen Brust entnommen wurden.
„Wir konnten genau erkennen, welche Frauen ein hohes Risiko für Brustkrebs hatten und welche Frauen nicht zu sein schienen“, sagte Dr. LaBarge.
Diese Arbeit entstand aus mehr als 12 Jahren Zusammenarbeit zwischen den beiden Laboren, bei der ingenieurtechnische Innovation mit Krebs- und Alternsbiologie kombiniert wurde. Die langfristige Partnerschaft ermöglichte Entdeckungen, die keine der Gruppen allein hätte erreichen können.
„Es ist eine echte Zusammenarbeit. Wir haben viel voneinander gelernt“, sagte Dr. Sohn.
„Meiner Meinung nach passiert das, wenn man eine echte Zusammenarbeit hat, die sich über lange Zeit entwickelt“, fügte LaBarge hinzu. „Dieses Ergebnis ist nicht das, was wir uns zu Beginn vorgestellt haben.“
Quellen: