Können Hunde Krebspatienten genauso genau aufspüren, wie sie Drogen und Bomben aufspüren können?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ning Jueyin (Forschungsinstitut für Tiergesundheit, Huazhong Agricultural University)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Die Huanglongbing-Krankheit kann zu einer Gelbfärbung der Blattstiele und einer fleckigen Gelbfärbung der Blätter führen, wodurch die Früchte zu „roten Nasen“ werden. Sie führt nicht nur zu einer Minderqualität der Zitrusfrüchte und einem Verlust ihres wirtschaftlichen Wertes, sondern breitet sich auch rasch aus und gefährdet den gesamten Obstgarten. Diese durch Bakterien verursachte und durch Blattflöhe verbreitete Krankheit ist trotz herkömmlicher Überwachungsmethoden immer noch weit verbreitet, da sie heimlich auftritt und zerstörerisch wirkt. Sie war schon immer der größte Feind der globalen Zitruswirtschaft. Allerdings hätte niemand erwartet, dass „Zitruskrebs“, der die Höhen und Tiefen der Zitrusindustrie seit Jahrzehnten beeinflusst, durch die Nase eines Hundes diagnostiziert werden könnte .

Golden Labrador Retriever

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Vor kurzem wurde im Gannan Navelorangen-Industriepark in der Provinz Jiangxi eine neue Überwachungsmethode für Huanglongbing eingeführt. Dabei kommt ein Trainer und ein Labrador Retriever zum Einsatz. Dadurch konnte die Erkennungsrate von Huanglongbing erheblich verbessert werden, da man sich auf die hervorragenden olfaktorischen „Diagnosefähigkeiten“ des Hundes verlässt. Die Häufigkeit von Huanglongbing im Park ist von 29 % auf 3 % gesunken. Da Hunde krankes Obst riechen können, können sie auch Krebspatienten erkennen? Die Antwort ist natürlich ja.

Warum können Hunde Krebs durch Riechen erkennen?

Im Vergleich zum Menschen, der nur über 5 Millionen Geruchsrezeptoren verfügt, haben Hunde 44-mal mehr Geruchsrezeptoren als Menschen, nämlich über 220 Millionen, und ihr flacher Bereich an Geruchsrezeptoren ist 690-mal größer als der des Menschen. Steve White, ein Ph.D. in der Tierverhaltensforschung, hat in seinem Forschungsbericht „Grundlagen des Polizeihundeeinsatzes – Geruch“ einmal eine anschauliche Metapher verwendet: Die Fläche der Geruchsrezeptoren eines Deutschen Schäferhundes und eines Menschen verhält sich wie der Vergleich zwischen einem Square Yard (0,83 Quadratmeter) und einer Briefmarke (0,0012 Quadratmeter).

Plaqueartige Strukturen auf der Nasenebene

(Bildquelle: Unsplash)

Die Nasenebene des Hundes ist der haarlose Teil der Nase, der von einer fleckigen Struktur bedeckt ist, die sich von der Nasenebene in die Nasenlöcher und die Nasenhöhle erstreckt. Dadurch kann die Hundenase, die über eine Schnüffelleistung von bis zu 3,3 m/s verfügt, schnell eine größere Menge Frischluft einatmen und gleichzeitig eine größere Menge „alter“ Luft aus dem seitlichen Spalt der Nase ausstoßen.

Nachdem die Luft in die Nasenhöhle gelangt ist, passieren die Geruchsmoleküle zunächst das darunter liegende Vomeronasalorgan und gelangen dann in den hinteren Riechbereich. Die restliche Luft strömt aus den unteren Passagen im Schwanz entlang des Rachens in die Lunge und ist dort an der Atmung beteiligt.

Schematischer Aufbau des Geruchssystems von Hunden und Menschen

(Bildquelle: Referenz 7)

Das Vomeronasalorgan ist ein spezielles Riechorgan, das der Mensch nicht besitzt. Es befindet sich im Gewebe des Nasenbodens und auf beiden Seiten des Piriformis und hat die Form von „Paaren kleiner blinder Röhren“. Als chemischer Rezeptor zur Wahrnehmung von Pheromonen verfügt er nicht nur über bipolare Riechzellen, sondern ist über 608 Vomeronasalnervenbündel auch direkt mit dem Riechlappen und dem Gehirn verbunden. Es reagiert innerhalb eines kleinen Bereichs empfindlicher auf bestimmte chemische Sinnessignale (z. B. Pheromone) und gilt als Hilfsstruktur des Hauptolfaktorsystems.

Der Riechbereich ist der Kernbereich des Riechsystems des Hundes und hier kommt das Hauptgeruchssystem ins Spiel. Es enthält eine Vielzahl von Riechorganen wie Nasenmuscheln, Nasennebenhöhlen, Siebbein, Riechschleimhaut und Riechkolben. Dabei können Hunde chemische Gerüche in der Umgebung erkennen, was ein wichtiger physiologischer Grund dafür ist, warum sie Krebs erkennen können.

Die niedrigste Konzentration, die die meisten Tiere bei Gerüchen wahrnehmen können, liegt bei 10^-6 bis -10^-9 Molar, beim Menschen liegt sie bei 10^-4,5 Molar und Hunde können Gerüche bereits ab einer Konzentration von 10^-17 Molar wahrnehmen. Das heißt, auf einem Fußballfeld von 120 Metern Länge und 90 Metern Breite kann ein Hund problemlos den Duft eines Apfels riechen. Ähnlich verhält es sich mit dem Fußballfeld, wo ein Hund einen Krebspatienten leicht riechen kann.

Warum können Hunde Krebs riechen?

Schauen wir uns zunächst an, wie sich der „Zitruskrebs“ Huanglongbing riechen lässt. Timothy Gottwald, ein Pflanzenschutzexperte aus Florida, USA, hat herausgefunden, dass Zitrusbäume, wenn sie von Bakterien befallen werden, extrem geringe Mengen spezieller Chemikalien freisetzen. Durch das Auffangen dieser Chemikalien können Hunde feststellen, ob ein Zitrusbaum mit Huanglongbing infiziert ist. Ebenso setzt Krebs extrem kleine und spezifische Chemikalien frei – dies ist der grundlegende Grund, warum Hunde Krebspatienten erkennen können.

Wie wir alle wissen, legt die chinesische Medizin Wert auf „Beobachtung, Auskultation, Befragung und Palpation“. Dieser „Geruch“ ist die konkrete Manifestation des Geruchs, der mit einer körperlichen Krankheit einhergeht – wenn eine Person krank ist, weisen Mund, Speichel, Urin, Schweiß usw. einen ungewöhnlichen Geruch auf. Nehmen wir als Beispiel die typischen Gerüche, die Menschen riechen können: Wenn ein Diabetiker an diabetischer Ketoazidose leidet, wird überschüssiges Aceton aus dem Körper ausgeatmet und es riecht ähnlich wie der Geruch von faulen Äpfeln. Das Ausatemgas von Patienten mit Nierenversagen enthält eine bestimmte Konzentration der Substanzen Dimethylamin und Trimethylamin, die ähnlich wie Urin riechen.

Ein alter chinesischer Arzt diagnostiziert einen Patienten

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wenn wir Dickdarmkrebszellen, Lungenkrebszellen und andere Krebszellen in vitro züchten, stellen wir fest, dass auch sie unterschiedliche „Gerüche“ produzieren, allerdings sind die Konzentrationen sehr gering und für den Menschen nicht riechbar.

Woher kommt der Geruch von Krebs?

Um ihren eigenen Bedarf für weiteres Wachstum zu decken, zeigen Krebszellen typische Stoffwechseleigenschaften wie: 1. Dysregulation des Glukose-, Fett- und Aminosäurestoffwechsels; ② Veränderungen in der metabolitengesteuerten Genregulation; und ③ metabolische Wechselwirkungen mit der Mikroumgebung. Das heißt, im Vergleich zu gesunden Zellen haben Krebszellen einen völlig anderen Stoffwechsel und produzieren einzigartige Metabolite.

3D-Bilder von Krebszellen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Einige dieser Metaboliten kommen im Körper in nichtflüchtiger Form vor (wie Gene, Krebsantigene, Wachstumsfaktoren, Interleukine usw.), der andere Teil liegt in flüchtiger Form vor (wie Alkane, Alkene, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Benzolreihen sowie sauerstoffhaltige Verbindungen, stickstoffhaltige Verbindungen und schwefelhaltige Verbindungen) und wird über die Blutzirkulation aus dem Körper durch Atmung, Speichel, Urin, Kot, Hautbestrahlung und Blutabgabe in die Umgebungsluft ausgeschieden – dieser Teil der flüchtigen Metaboliten wird als VOC (flüchtige Verbindungen) bezeichnet.

Die Freisetzungskonzentration von VOCs in der Ausatemluft von Krebspatienten liegt im Mikrogramm- bis Pikogrammbereich, während die Freisetzungskonzentration in Blut und Urin im Mikrogramm- bis Nanogrammbereich liegt. Wie viele Mikrogramm, Nanogramm und Pikogramm gibt es?

Wenn eine Büroklammer etwa 1 Gramm und ein Sesamkorn etwa 1 Milligramm wiegt, dann ist ein Tausendstel eines Sesamkorns ein Mikrogramm, was ungefähr dem Gewicht eines Staubkorns entspricht, das mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist. Der Staub wird weiter in 1.000 Stücke zerkleinert, von denen jedes 1 Nanogramm wiegt. Nehmen Sie 1 Nanogramm und teilen Sie es in 1.000 Portionen auf, sodass Sie 1 Pikogramm pro Portion erhalten.

Wie niedrig die Konzentrationen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) im Mikrogramm-, Nanogramm- und Pikogrammbereich sind, lässt sich erkennen. Glücklicherweise sind die Nasen von Hunden jedoch so stark, dass diese Konzentrationen gerade noch in ihrem Geruchsbereich liegen. Aus diesem Grund kann fast niemand Krebs riechen, Hunde hingegen schon.

Wie gut können Hunde Krebs erschnüffeln?

Im Jahr 1989 bellte ein untrainierter Hund ständig einen „schwarzen Leberfleck“ am Bein seines Besitzers an. Aufgrund von Zweifeln ging der Besitzer zur Untersuchung ins Krankenhaus und stellte fest, dass es sich bei dem „schwarzen Muttermal“ tatsächlich um ein bösartiges Melanom handelte. Nachdem dieser Vorfall im „Lancet“ veröffentlicht wurde, nahm die Zahl entsprechender Forschungsberichte im Ausland dramatisch zu. Das Trainingsprogramm der Hunde wurde außerdem von der Erkennung von Melanomen auf eine Reihe häufiger Krebsarten beim Menschen ausgeweitet, darunter Blasenkrebs, Eierstockkrebs, Brustkrebs, Prostatakrebs und Lungenkrebs.

Laut einschlägiger ausländischer Literatur befindet sich die Forschung zur Krebserschnüffelfähigkeit von Hunden noch im Laborstadium. Ihre Sensitivität und Spezifität für Krebs erreichen im Allgemeinen über 90 %, ein Ergebnis, das auch vom Team um Zhao Qintao in China bestätigt wurde .

Mittlerweile hat das Team die Forschung im Labor verlassen und ist nun im Krankenhaus angekommen. Den vorläufigen Ergebnissen des Doppelblindtests des Krankenhauses zufolge lag die Erkennungsrate der Hunde für neue und unterschiedliche Stadien des Myeloms bei 94 %, die Erkennungsrate für frühen Lungenkrebs bei 93 % und die Erkennungsrate für ein Wiederauftreten während und nach der Behandlung bei 98 %.

Vielleicht können hundeliebende Familien in naher Zukunft ein kleines Radar zur Krebserkennung besitzen, das sowohl kokett als auch interaktiv sein kann! Natürlich wünsche ich euch allen auch hier weiterhin viel Gesundheit!

Quellen:

[1] Huang Jiaquan, Li Li, Wu Fengnian et al. Proliferation und Pathogenität von Huanglongbing-Bakterien, die verschiedene Prophagen in Zitrusblattflöhen tragen[J]. Chinesische Agrarwissenschaft, 2022, 55(4): 719-728.

[2] Xinnongcai. Unglaublich! Kann der „Zitruskrebs“ Huanglongbing durch einen Hund „geheilt“ werden? [OL]. Neue Agrarfinanzierung, 09.08.2024.

[3] Wang Shuang, Zhang Peng. Forschung zum Test der „Schnüffelkraft“ von Hunden[C]. Tagungsband des National Working Dog Technology Seminars 2012, 2012: 410-416.

[4] Yi Maoxiu. Räumliche Expressionsunterschiede und evolutionäre Analyse von Geruchsrezeptorgenen bei Haushunden[D]. Qufu: Qufu Normal University, 2013.

[5] Yoder AD, Larsen P A. Die molekulare Evolutionsdynamik der Vomeronasalrezeptor-Gene (Klasse 1) bei Primaten: eine Genfamilie am Rande eines funktionellen Zusammenbruchs[J]. Olfaktorische Subsysteme bei Säugetieren: Morphologie, Genetik und Evolution, 2015.

[6] Huang Yong, Li Meiyi, Li Yuxia et al. Forschungsfortschritte zum Geruchs- und Geschmackssinn von Hunden[J]. Zeitgenössische Tierhaltung, 2013, 12(4): 719-728.

[7] Wang Ziling, Wang Xiaowen, Zhao Qintao. Klinische Machbarkeitsstudie zur Diagnose von Krebs beim Menschen durch Hundeschnüffeln[J]. Jiangxi Journal of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, 2023(05):44-47.

[8] Fang Shaoqin, Xu Hu, Li Jie et al. Forschungsfortschritte beim Screening von Krebspatienten durch den Einsatz von Hunden zum Erschnüffeln flüchtiger organischer Verbindungen [J]. Journal of Community Medicine, 2023, 21(15): 810-816