Ein guter Indikator für Funktionsstörungen in lebenden Zellen ist die Veränderung in der RNA-Expression, und die Micro-RNA (miRNA) gilt als spezifischer Biomarker für karzinogene Zellen.

Einem Team von Wissenschaftlern aus China ist es gelungen, miRNA in lebenden Tumorzellen für die biologische Bildgebung zu vervielfältigen. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, stützt sich ihr miRNA-Testsystem auf einem robusten zellulären autokatalytischen Biokreislauf, der durch synthetische DNA und Nanopartikel ausgelöst wird.

Veränderte miRNA-Expression

Krebs noch vor der sichtbaren Tumorentstehung nachzuweisen, ist eines der langjährigen Ziele in der Medizin. Einer der Biomarker für die Kanzerogenität einer Zelle ist das RNA-Expressionsmuster – genauer gesagt die Veränderung der RNA-Expression, die den zellulären Stoffwechsel entarten lässt. Es gibt viele Arten RNA, von denen eine kurze, nicht kodierende RNA-Sorte namens miRNA die Übersetzung der im Zellkern kodierten Erbinformation in Protein fördert oder hemmt. Der Nachweis von einer veränderten miRNA-Expression sollte also die Entartung von Zellen zuverlässig anzeigen.

Fluorszenzsignal zeigt Tumorzellen

Eine bestimmte miRNA nachzuweisen, ist jedoch schwierig, da sie in der Zelle nur in winzigen Mengen vorhanden ist und deshalb vervielfältigt und für mit einem Signalstoff, z.B. einem Fluoreszenzfarbstoff, verknüpft werden muss, um erkennbar zu werden. Ein Wissenschaftlerteam der Universität Wuhan (China) hat unter der Leitung von Fuan Wang einen geeigneten Mechanismus zur Vervielfältigung/zum Nachweis von miRNA entdeckt, der auf einem durch synthetische DNA in Gang gesetzten autokatalytischen Biokreislauf beruht und mit einem starken Fluorszenzsignal die Tumorzellen anzeigt.

Die RNA wird normalerweise im Zellkern synthetisiert und zum Zytoplasma transportiert, wo sie die genetische Information übermittelt. Wenn jedoch synthetische DNA im Zytoplasma vorhanden ist, kann die RNA an eine passende Nukleotidsequenz des DNA-Strangs binden, was zum Beispiel bei der antiretroviralen Behandlung ausgenutzt wird, um die virale RNA-Expression zu unterdrücken. Wang und seine Mitarbeiter taten das Gegenteil. Mit einem zur miRNA passenden synthetischen DNA-Strang (DNAzym) lösten sie einen autokatalytischen Amplifikationskreislauf aus, um DNA-miRNA-Stränge zu bilden. Diese zusammengesetzten Stränge wuchsen weiter und bildeten sogenannte DNAzym-Nanodrähte, auf denen ein Fluoreszenzfarbstoff angebracht war.

Nach Verabreichung des DNAzym-Testkits beobachteten die Autoren bei einem Mausmodell helle Fluoreszenz, wo es gerade einen Tumor entwickelte.

DNAzym-Biokreislauf aufrechterhalten

Um das DNAzym in die Tumorzellen zu bringen, verwendeten die Wissenschaftler Nanopartikel – winzige Päckchen, die Medikamente und andere molekulare Fracht zu den Zellen transportieren – aus wabenartigem Mangandioxid. Diese Zusammensetzung und Architektur habe den Vorteil, dass das Partikel in der Zelle durch Glutathion, eine in Tumorzellen reichlich vorhandene Substanz, leicht aktiviert werden kann. Ein weiterer Vorteil sei, dass die Nanopartikel Mangan-Ionen freisetzen, die den selbstverstärkenden DNAzym-Biokreislauf aufrechterhalten.

Die Wissenschaftler betonen, dass ihr selbstverstärktes bildgebendes Nachweissystem als leistungsfähiges Werkzeug zur Visualisierung von Tumorzellen mit Biomarkern weiterentwickelt werden kann. Das ist deshalb besonders vielversprechend, da viele unterschiedliche miRNAs gezielt zur Untersuchung von verschiedenen Krebsarten oder anderen Funktionsstörungen von biologischen Zellen eingesetzt werden können.