Düfte und Sinne

Es gibt Millionen Sinneswelten, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Sich vorzustellen, wie es ist, ein wildes Wesen zu sein, übersteigt die begrenzte Auflösungskraft menschlicher Sinne. Insekten leben beispielsweise in einer Welt des Geruchs und entschlüsseln die subtilen chemischen Duftnuancen, die über ihre Antennen wehen. Im Fall von Heuschrecken – der wandernden Schwarmform bestimmter asozialer Heuschrecken – ist ihr Geruchssinn eng mit ihrer physischen und gemeinschaftlichen Transformation verbunden. Bestimmte Umweltbedingungen veranlassen Heuschrecken, sich zu häuten und Pheromone abzusondern, die weitere Heuschrecken anlocken.1,2 Nachdem sie ihren alten Körper und ihre einsame Existenz abgelegt haben, versammeln sich Milliarden von Heuschrecken in verheerenden Schwärmen, die die Sonne in den Schatten stellen und Menschen plagen. Diese dramatische Umgestaltung von Körper und Lebensstil hängt von ihrer hervorragenden Fähigkeit ab, subtile Gerüche zu erkennen und zu unterscheiden.3

Kürzlich nutzten Debajit Saha, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Michigan State University, und sein Team die Geruchserkennungsschaltung des Heuschreckengehirns, um die Geruchssignaturen menschlicher Mundkrebserkrankungen zu erkennen. Saha nutzte früher Heuschrecken zum Aufspüren von Bomben,4 was den Übergang zur Krebserkennung interessant macht. „Krebs verändert den [zellulären] Stoffwechsel und diese Veränderungen spiegeln sich in der ausgeatmeten Luft wider“, sagte Saha. Diese einzigartigen chemischen Signaturen, die als flüchtige organische Verbindungen (VOCs) bekannt sind, sind vielversprechende Biomarker für Krankheiten – sofern Wissenschaftler sie entdecken können. Andere Forscher entwickeln künstliche Sensoren – auch elektronische Nasen genannt – zur Erkennung von Krebs, aber ihre Empfindlichkeit, Spezifität und Geschwindigkeit sind im Vergleich zu Lebewesen, die eine Sinneslandschaft aus Gerüchen bewohnen, immer noch begrenzt. Sahas Team greift auf die Biologie zurück, um die leistungsstärksten Biosensoren der Natur zu nutzen. „Anstatt ein biologisches Gehirn zurückzuentwickeln, entwickeln wir dessen Berechnung voran“, sagte Saha.

Sahas Team untersuchte, ob es die Geruchsverarbeitungsschaltkreise im Gehirn der Heuschrecke abfangen konnte, um menschliche Mundkrebszellen zu erkennen und zu unterscheiden, die in einer Flasche wachsen, und berichtete über seine Ergebnisse in „Biosensors and Bioelectronics“.5 Sie führten eine Gehirnoperation an einer Heuschrecke durch und führten Elektroden ein die Gehirnregionen, die Gerüche verarbeiten. Anschließend sammelte Sahas Team Gasproben aus den Zellkulturen von drei verschiedenen Arten menschlicher Mundkrebszellen und gesunden menschlichen Mundzellen. Sie ließen die Gasproben – von denen jede eine bestimmte Mischung von VOCs aus den entsprechenden Zellen enthielt – über die Antennen der Heuschrecke schweben und zeichneten die elektrische Aktivität des Gehirns auf. Nachdem Sahas Team die Ergebnisse mehrerer Heuschrecken zusammengefasst hatte, stellte es fest, dass ihre Gehirne für jeden der verschiedenen Zelltypen ein eigenes elektrisches Muster erzeugten. Die Heuschrecken unterschieden nicht nur Krebszellen von gesunden Zellen, sondern unterschieden auch zwischen den subtilen Geruchsspuren der verschiedenen Mundkrebsarten.

„Es ist eine wichtige Arbeit, die unser Fachgebiet bereichert und eines Tages möglicherweise zu tatsächlichen Geräten für Gesundheitsdiagnosen führen könnte“, sagte Bruce Kimball, ein chemischer Ökologe am Monell Chemical Senses Center in Pennsylvania, der nicht an dieser Studie beteiligt war. Laut Kimball könnte jede Kombination eines Detektors – sensorische Neuronen, künstliche Sensoren oder andere Analyseinstrumente – mit einem Musteranalysealgorithmus – biologisches Gehirn, gehirnähnlicher Chip oder maschinelles Lernen – letztendlich dazu beitragen, dass Forscher die Ziellinie erreichen. Bei ausreichender Feinabstimmung wird ein solches System „wahrscheinlich erfolgreich bei der Unterscheidung zwischen Gerüchen sein, die mit den meisten Gesundheitszuständen verbunden sind“.

Saha erklärte, dass die Rechenleistung der Heuschrecken-Biosensoren die der aktuellen künstlichen Sensoren übersteigt. Dank einer begrenzten Anzahl von Geruchsrezeptoren verfügen Heuschrecken über eine nahezu unbegrenzte Fähigkeit, verschiedene Chemikalien zu kodieren. „Sie müssen nicht einzelne Komponenten identifizieren, sie können einfach die gesamte Mischung nehmen und einen [Geruchs-]Fingerabdruck erstellen“, sagte Saha. Sein Team plant, Atemproben menschlicher Krebspatienten zu testen, die weitaus komplexere Duftsignaturen aufweisen als kultivierte Zellen. „Das wird der große Test sein.“

Nachdem sie Jahrtausende lang Unruhe angerichtet haben, könnten sich die Heuschrecken endlich rehabilitieren, indem sie der Menschheit helfen. Sie erinnern uns daran, dass unser Verständnis der Welt nur so genau ist wie die Wahrnehmungsinstrumente, die wir verwenden.

Verweise