Silizium-Nanonadeln ermöglichen Echtzeit-Überwachung von Hirntumoren ohne Gewebeschäden

Ein bahnbrechender Durchbruch in der Nanotechnologie ermöglicht es Wissenschaftlern, lebendes Hirngewebe über einen längeren Zeitraum zu beobachten, ohne dabei Schäden zu verursachen – und könnte die Art und Weise, wie wir Krankheitsverläufe und Behandlungsreaktionen erforschen, grundlegend verändern. Forscher am King's College London entwickelten Arrays aus Silizium-Nanonadeln, die wiederholt Biomoleküle aus lebendem Gewebe entnehmen können und dabei detaillierte molekulare Karten erstellen, ohne die Gewebeintegrität zu beeinträchtigen.

Das Team testete seinen Ansatz an Hirntumoren (Gliomen), von denen bekannt ist, dass sie charakteristische Muster des Lipidstoffwechsels aufweisen, die sich im Verlauf der Erkrankung verändern. Die Nanonadeln mit einer Höhe von lediglich 4 Mikrometern und Spitzen von 50 Nanometern können in Gewebe eindringen und Lipidmoleküle entnehmen, die anschließend mittels Massenspektrometrie-Bildgebung analysiert werden. Dadurch entsteht ein „molekulares Abbild", das die räumliche Verteilung der Lipide im Ursprungsgewebe präzise widerspiegelt.

In Validierungsstudien mit 23 menschlichen Gliom-Biopsien klassifizierte eine Analyse der mit Nanonadeln gewonnenen Daten mittels maschinellem Lernen verschiedene Krankheitszustände mit derselben Genauigkeit wie herkömmliche, destruktive Gewebeanalysen. Die Forscher demonstrierten zudem die zeitlichen Möglichkeiten der Technologie, indem sie Maus-Gliome beobachteten, die mit dem Chemotherapeutikum Temozolomid behandelt wurden. Dabei wurden zeit- und behandlungsabhängige Veränderungen in der Lipidzusammensetzung aufgedeckt, die bislang nicht beobachtbar waren.

Die Bedeutung dieser Technologie reicht weit über die Hirnkrebsforschung hinaus. Dieser nicht-destruktive Probennahme-Ansatz könnte Längsschnittstudien an jeder Gewebeart ermöglichen und Forschern erlauben, den Verlauf von Erkrankungen, die Wirkungsweise von Behandlungen über die Zeit sowie die Reaktion von Geweben auf verschiedene Interventionen zu verfolgen. Im Bereich der Präzisionsmedizin könnte dies bedeuten, individuelle Patientenreaktionen auf eine Therapie in Echtzeit zu überwachen – und damit potenziell Behandlungsanpassungen zu ermöglichen, bevor herkömmliche Bildgebung oder Biopsien Veränderungen erkennen würden.

Obwohl die aktuelle Studie auf Hirngewebe und Lipidanalyse ausgerichtet war, weisen die Forscher darauf hin, dass die Nanonadel-Plattform für andere Biomoleküle und Gewebearten angepasst werden könnte – und damit neue Horizonte in der räumlichen Biologie und der zeitlichen Analyse lebender Systeme eröffnet.