Krebsbedingte Düfte lösen unverwechselbare Gehirnaktivitätsmuster aus
Honigbienen können im Labor die subtilen Düfte von Lungenkrebs erkennen - und sogar das schwache Aroma der Krankheit, das aus dem Atem eines Patienten strömen kann.
Insekten und ihre olfaktorischen Fähigkeiten
Beeindruckt von den herausragenden olfaktorischen Fähigkeiten dieser Insekten, schlossen Wissenschaftler die Gehirne lebender Bienen an Elektroden an, ließen verschiedene Düfte unter ihren Antennen durch und zeichneten ihre Gehirnsignale auf. "Es ist sehr deutlich - wie Tag und Nacht - ob [eine Biene] auf eine Chemikalie reagiert oder nicht," sagt Debajit Saha, ein Neuroingenieur an der Michigan State University in East Lansing.
Neurale Fingerabdrücke für Düfte
Verschiedene Gerüche lösten erkennbare Gehirnaktivitätsmuster aus, eine Art neuralen Fingerabdruck für Duft, berichten Saha und Kollegen am 4. Juni in Biosensors and Bioelectronics. Eines Tages, sagt er, könnten Ärzte Honigbienen in Krebsdiagnosekliniken als lebende Sensoren zur Früherkennung von Krankheiten einsetzen.
Elektronische Nasen und ihre Grenzen
Elektronische Nasen, oder e-Nasen, und andere Arten von mechanischen Geruchssensoren existieren bereits. "Biologie hat diese Fähigkeit, sehr, sehr ähnliche Mischungen zu unterscheiden, was keine anderen entwickelten Sensoren können," sagt Saha.
Geruch als Kommunikationsmittel in der Insektenwelt
Geruch ist ein wichtiger Bestandteil der Kommunikation vieler Insektenarten, sagt die Chemieökologin Flora Gouzerh vom französischen Nationalen Forschungsinstitut für nachhaltige Entwicklung in Montpellier. Für sie "ist es eine Sprache," sagt sie.
Die Geschichte der Krankheiten erschnüffelnden Tiere
Tiere, die den Geruch von Krankheiten erkennen, sind nichts Neues; bereits 1989 berichteten Ärzte von einem Border Collie und einem Dobermann, die das Melanom ihres Besitzers erschnüffelten. In jüngerer Zeit haben Wissenschaftler gezeigt, dass Hunde COVID-19-Fälle durch das Riechen des Schweißes von Menschen erkennen können. Wahrscheinlich haben viele Insekten ebenfalls die Fähigkeit, Krankheiten zu erkennen, sagt Gouzerh. Ameisen können zum Beispiel darauf trainiert werden, den Geruch von Krebszellen, die in einer Petrischale wachsen, zu erkennen. Doch bisher waren die Fähigkeiten der Bienen nicht so klar, sagt sie.
Direkter Zugriff auf neuronale Signale der Bienen
Durch den direkten Zugang zu den Neuronen der Insekten können Wissenschaftler das Verhaltenstraining umgehen. Statt Wochen zu brauchen, um einem Hund beizubringen, bei verdächtigen Gerüchen zu sitzen, kann das Team ihre Antwort direkt aus dem Gehirn bekommen.
Methode der Wissenschaftler: Bee Brain Surgery
Honigbienen wurden mit 3D-gedruckten Plastikgeschirren und etwas Wachs fixiert, während die Forscher eine Gehirnoperation durchführten und Drähte an die Region anschlossen, die Gerüche verarbeitet. Ein Gerät lieferte Luftstöße an die Antennen der Insekten, ähnlich wie ein Verkäufer Düfte an einem Parfümtresen versprüht.
Experimentelle Ergebnisse und Erfolgschancen
Jeder Luftstoß konnte eine Vielzahl von mischten Gerüchen enthalten, wie sie von gesunden Menschen ausgeatmet werden. Eine andere Mischung imitierte den Pesthauch von Lungenkrebspatienten, der für menschliche Nasen völlig unauffindbare Gerüche enthält. Anhand der elektrischen Signale aus den Hirnen der Bienen konnten Forscher zwischen den beiden Arten von synthetischem Atem in mehr als 93 Prozent der Fälle unterscheiden.
Zusätzliche Experimente und Krebsarten
In einem separaten Experiment sammelte Sahas Team Luft über Lungenzellen, die im Labor wuchsen. Die Bienen konnten erfolgreich den Unterschied zwischen Luftproben in der Nähe gesunder Zellen und solchen, die in der Nähe von zwei Krebsarten gesammelt wurden, erkennen: kleinzelligem Lungenkrebs und nicht-kleinzelligem Lungenkrebs.
Zukünftige Forschungen und Herausforderungen
Laufende Arbeiten in Sahas Labor haben auch gezeigt, dass die Riechfähigkeit der Bienen sich auf andere Spuren von Düften erstreckt, wie sie von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS), auch als ewige Chemikalien bekannt, emittiert werden. "Das hat mich tatsächlich umgehauen," sagt er. "PFAS in der Umwelt sind sehr, sehr schwer zu erkennen."
Praktische Anwendungen und Einschränkungen
Sahas Team hofft, ihren Duftsensor in Zukunft an tatsächlichen Krebspatienten testen zu können. Die größte Schwachstelle des Geräts ist seine begrenzte Lebensdauer: Die Gehirngesundheit der Bienen nimmt nach wenigen Stunden ab und die Antworten werden instabil. Aber es arbeitet schnell und liefert Ergebnisse in Echtzeit. Mit nur einem Bienengehirn könnte Sahas Team theoretisch mehr als 100 Proben durchlaufen lassen.
Zitate & Quelle: M. Parnas et al. Precision detection of select human lung cancer biomarkers and cell lines using honeybee olfactory neural circuitry as a novel gas sensor. Biosensors and Bioelectronics. Published online June 4, 2024. doi: 10.1016/j.bios.2024.116466.