Olfactory coding in the insect brain and how to use fruit fly to detect cancer. Giovanni Galizia Universität Konstanz

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1 Olfactory coding in the insect brain and how to use fruit fly to detect cancer Giovanni Galizia Universität Konstanz

2 Überblick Teil 1: 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

3 Bereits in der Antike war bekannt, dass Krankheiten den Körpergeruch einer Person verändern.... dass der Geruch oder Geschmack von Körperflüssigkeiten Aufschluss über den Gesundheitszustand gibt. Geruch: z.b. Haut, Atem, Urin, Stuhl Geschmack: z.b. Urin

4 Erkennung von Krankheiten am Geschmack Diabetes mellitus: altgriechisch: διαβαίνειν diabainein hindurchgehen, hindurchfließen lateinisch: mellitus honigsüß honigsüßer Durchfluss in der Antike wurde die Diagnose durch eine Geschmacksprobe des Urins gestellt. Wort beschreibt das Hauptsymptom: die Ausscheidung von Zucker im Urin

5 Erkennung von Krankheiten am Geruch Diabetische Ketoazidose - fruchtiger Geruch der Atemluft Tuberkulose abgestandenes Bier Typhus frisch gebackenes Brot Gelbfieber wie in einer Fleischerei reviewed in Penn & Po,s, 1998, Trends in Ecology and Evolu:on

6 Der Körpergeruch kommt durch flüchtige Moleküle zustande Hautoberfläche Atem Schweiss

7 Krankheiten verändern den Körperduft. Hautoberfläche Atem 1. Duftstoffe in veränderter Konzentration 2. krankheitsspezifische Duftstoffe Schweiss

8 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft

9 Auch Krebs verändert den Körperduft Seit ca. 30 Jahren ist bekannt, dass Krebs den Körperduft verändert. Erzählungen von Hundebesitzern (z.b. Melanom, Brustkrebs) Birte Uellendahl

10 Hunde können mit ihren sehr feinen Nasen Krebs riechen Hunde haben extrem sensitive Nasen ca. 250 Mio. Riechzellen (Riechnervenzellen) (Mensch ca Mio.) Knochen Riechschleimhaut Riechnervenzellen in der Membran der Riechzellen liegen sehr sensitive Duftrezeptoren Hunde können geringste Duftspuren aufnehmen, erkennen, lernen und unterscheiden

11 Intensive Forschung an der Krebserkennung mit Hunden Hunde werden trainiert: Belohnung bei Erkennung der Krebsprobe Im Test werden unbekannte Proben von Patienten gegeben. Die Hunde zeigen an, in welchen Proben sie Krebsduft riechen. h,p://

12 Erfolgreiche Krebserkennung mit Hunden h,p:// Krebsart Hautkrebs Lungenkrebs Brustkrebs Eierstockkrebs Prostatakrebs Blasenkrebs Darmkrebs Probe auf der Haut Atem Atem Gewebe und Blut Urin Urin Atem und Stuhl

13 Gemeinnützige Organisationen trainieren Krebssuchhunde h,p:// Gemeinnützige Organisationen in verschiedenen Ländern trainieren Hunde für die Krebserkennung, z.b.: Großbritannien: Österreich: USA: D: teamcanin.com

14 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft

15 Wie kommt es, dass Krebs anders riecht? Der Stoffwechsel von Krebszellen ist stark verändert Schnelles, unkontrolliertes Wachstum Normal Karzinom Niere Bauchspeicheldrüse Sloan et al. BMC Cancer 2004

16 Stoffwechselveränderungen bei Krebszellen Schnelles Wachstum à hoher Bedarf an Nährstoffen und Energie à Produktion anderer Stoffe in der Zelle à Ausscheidung von mehr/anderen Abfallprodukten à Bildung einer feindlichen Zellumgebung (oxidativer Stress) à freie Sauerstoffradikale bauen Zellmembranen durch Lipidperoxidierung ab à Alkane à Induktion neuer Blutgefäße (Angiogenese)

17 Einzelne Duftstoffe können in chemischen Analysen identifiziert werden. Gaschromatographie - Massenspektrometrie Beispiel: Atemluft von Darmkrebspatienten: 15 Moleküle in veränderter Konzentration (u.a. Alkane, Benzene,...) z.b. erhöhte Konzentration von Dekanal (s.u.) Altomare et al., 2013, Bri:sh Journal of Surgery

18 Chemische Analyse der Atemluft von Lungenkrebspatienten Wichtig: - Duftmoleküle waren in beiden Gruppen ähnlich - Unterscheidung nur in ihrer relativen Quantität - es gab keine einzelnen krebsspezifischen Duftmoleküle krebsspezifische Duftmoleküle wurden bei Lungen- und Darmkrebs in der Gaschromatographie nicht gefunden

19 Die chemische Analyse der Duftprofile hat Nachteile. Gaschromatographie-Massenspektrometrie: Vorteile: + hohe Sensitivität + kann einzelne Duftkomponenten identifizieren Für die Anwendung in der Krebsdiagnostik nur bedingt geeignet: Nachteile: - instabile Duftmoleküle könnten durch Erhitzung zersetzt werden - es wurden keine diagnostischen Moleküle gefunden - komplexe Muster sind schwer zu analysieren Ø wir brauchen Duftprofilerkennung und -unterscheidung bei Raumtemperatur: Nasen!

20 Natürliche Nasen sind zur Unterscheidung von Duftprofilen bestens geeignet. Natürliche Nasen können: Millionen von verschiedenen Düften erkennen und sofort unterscheiden Duftprofile anhand minimaler Unterschiede unterscheiden Düfte auch im Gemisch erkennen medicaldetectiondogs.org.uk

21 ..wie kommt man auf die Fliege? medicaldetectiondogs.org.uk bei Hunden à nur Zugriff auf das Verhalten: JA-NEIN Antwort bei der Fruchfliege à direkter Zugriff auf die Duftantworten von Riechzellen auf der Antenne

22 Fruchtfliegen fliegen zum Wein, nicht zum Krebs... Bild: News from NPR, Feb 28, 2013

23 Duftantworten können direkt auf der Antenne abgelesen werden 50 verschiedene Duftrezeptortypen Räumlich verteilt auf den Fühlern (Antennen) Sensillen mit verschiedenen Riechzellen

24 Duftantworten können direkt auf der Antenne abgelesen werden 50 verschiedene Duftrezeptortypen Räumlich verteilt auf den Fühlern (Antennen) fluoreszierender Calziumsensor in den Riechzellen zeigt deren Aktivität an Sensillen mit verschiedenen Riechzellen

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26 Die Fruchtfliege unter dem Mikroskop Aktivität der Riechzellen bewirkt stärkere Fluoreszenz Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

27 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft

28 Ramón y Cajal The cortex (Nobel prize in 1906)

29 image source: (modified) Wieviele Nervenzellen hat: Mensch: Oktopus: Maus: Biene: Fliege:

30 PET- scan beim Menschen erforscht wo und wann das Gehirn ak:v ist de Quervain, Fischbacher, et al, 2004

31 :me/space rela:onship

32 Intrazelluläres Kalzium steigt bei einer Duftantwort

33 Intrazelluläres Kalzium steigt bei einer Duftantwort

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36 Antwort im Gehirn auf Nelkenduft

37 Antwort im Gehirn auf den Duft Oktanol

38 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft

39 Zurück zur Frage nach dem Krebs Wir messen nicht im Gehirn, sondern die Sinneszellen direkt auf der Antenne.

40 Duftantworten auf der Antenne bei Gabe von Brustkrebsdüften 0s 0.5 s 1s gesund Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

41 Duftantworten auf der Antenne bei Gabe von Brustkrebsdüften 0s 0.5 s 1s gesund Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

42 Duftantworten auf den Duft von gesunden Zellen und Brustkrebszellen sind unterschiedlich 0s 0.5 s 1s gesund Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

43 Analyse der Duftantwort-Muster Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

44 Ähnlichkeit der Duftantwort-Muster gesunde Zellen (healthy) zeigen ein anderes Duftantwort-Muster (=Duftprofil) als die Brustkrebszellen (canc1-canc5) Innerhalb der verschiedenen Brustkrebszelllinien gibt es Unterschiede im Duftprofil Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports

45 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft

46 Die Zukunft... Die Riechzellen und Duftrezeptoren der Fruchtfliege sind für die Krebserkennung geeignet. Weitere Forschung und Entwicklung könnte dazu führen, dass die Riechzellen der Fruchtfliege evtl. eines Tages in technische Systeme (z.b. elektronische Nasen) zur Krebsdiagnostik genutzt werden können. die Krebserkennung anhand eines veränderten Duftprofils ist vielversprechend für zukünftige Diagnose-Verfahren: 1. Krebs könnte bereits in sehr frühem Stadium erkannt werden 2. nicht-invasive Probennahme 3. Entwicklung von kostengünstigem, zuverlässigen screening

47 Überblick Teil 1: 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

48 Odor-objects AB = A + B! 48

49 Odor-objects AB = A + B! A B AB = A + B? 49

50 Cocktail party problem à Concurrent sound segregation Lipp R, Kitterick P, Summerfield Q, Bailey PJ, Paul-Jordanov I (2010) Concurrent sound segregation based on inharmonicity and onset asynchrony. Neuropsychologia 48:

51 An olfactory stimulus alone when learned (CS+) - does induce the proboscis extension reflex (CR) Film: Juliane Ullrich, Randolf Menzel

52 Concurrent odor-object segregation? 800 ms 6 ms 6 ms Szyszka et al 2012, PLoS One 52

53 Concurrent odor-object segregation? 800 ms 6 ms 6 ms IF asynchrony allows odor-object segregation THEN response to incoherent odor mixture should be greater than to coherent AB Szyszka et al 2012, PLoS One 53

54 6-ms temporal difference in stimulus coherence is sufficient for odor-object segregation 800 ms 6 ms 6 ms Szyszka et al 2012, PLoS One A= nonanol or hexanol B= hexanol or nonanol 54

55 6-ms temporal difference in stimulus coherence is sufficient for odor-object segregation 800 ms 6 ms 6 ms Szyszka et al 2012, PLoS One A= nonanol or hexanol B= hexanol or nonanol 55

56 small shifts of few milliseconds allow honeybees to extract more information about the components in an odor mixture

57 can we see this in brain activity patterns?

58 Calcium responses in olfactory projection neurons odor: 1-hexanol (loop) Sachse & Galizia, 2002

59 Odor specific glomerular activity patters octanol (repeated stimulation) measurement: Silke Sachse 59

60 Inhibitory interactions in odor-mixture processing expected mixture response coherent mixture incoherent mixture mixture suppression more mixture suppression A= heptanone B= octanol N= 172 glomeruli, 12 bees Stierle et al., 2013

61 Short time delays induce even more inhibitory interactions expected mixture response coherent mixture incoherent mixture mixture suppression more mixture suppression A= heptanone B= octanol N= 172 glomeruli, 12 bees Stierle et al., 2013

62 Hexanol, nonanol and the mixture single odorants vs. coherent mixture. A B 800 ms AB 20 Hz 62 Stierle et al., 2013

63 6 ms incoherent mixture single odorants vs. coherent mixture vs. incoherent mixture A B AB A.B / B.A 800 ms 6 ms 20 Hz 63 Stierle et al., 2013

64 50 ms incoherent mixture single odorants vs. coherent mixture vs. incoherent mixture A B AB A.B / B.A 800 ms 50 ms 20 Hz 64 Stierle et al., 2013

65 200 ms incoherent mixture single odorants vs. coherent mixture vs. incoherent mixture A B AB A.B / B.A 800 ms 200 ms 20 Hz 65 Stierle et al., 2013

66 Olfactory receptors are fast! Olfactory transduction takes less than 1.5 ms 14 Paul Szyszka. EAG on honeybee antenna.

67 Olfactory receptors are fast! Olfactory receptor neurons track pulses at 125 Hz n = 12 bees 15 Paul Szyszka. EAG on honeybee antenna.

68 - smelling is fast!

69 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

70 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten? Birte Uellendahl

71 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

72 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

73 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

74 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

75 Überblick 1. Der Geruch und Geschmack von Krankheiten 2. Hunde können Krebs riechen 3. Der Duft von Krebs 4. Ein Exkurs in die Werkstatt Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege 6. Möglichkeiten für die Zukunft 7....Teil 2: wie schnell riechen Insekten?

76 Department of Electronic Engineering Gerald Mende Dieter Schopper Tierforschungsanlage Konstanz Paul Szyszka Corrado Di Natale Eugenio Martinelli Alja Lüdke Luca Lavra Martin Strauch Daniel Münch Alessandra Ulivieri