Olfactory coding in the insect brain and how to use fruit fly to detect

Olfactory coding in the insect brain
and
how to use fruit fly to detect cancer
Giovanni Galizia
Universität Konstanz
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...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell riechen Insekten?
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
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
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 Der Körpergeruch kommt durch flüchtige Moleküle zustande
Hautoberfläche
Atem
Schweiss
Krankheiten verändern den Körperduft.
Hautoberfläche
1. Duftstoffe in veränderter
Konzentration
Atem
2. krankheitsspezifische
Duftstoffe
Schweiss
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
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 Hunde können mit ihren sehr feinen Nasen Krebs riechen
•  Hunde haben extrem
sensitive Nasen
•  ca. 250 Mio. Riechzellen
(Riechnervenzellen)
(Mensch ca. 10-30 Mio.)
•  in der Membran der
Riechzellen liegen sehr
sensitive Duftrezeptoren
•  Hunde können geringste
Duftspuren aufnehmen,
erkennen, lernen und
unterscheiden
Knochen
Riechschleimhaut
Riechnervenzellen
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://www.dogsdetectcancer.org/ Erfolgreiche Krebserkennung mit Hunden
h,p://www.dogsdetectcancer.org/ Krebsart
Probe
Hautkrebs
auf der Haut
Lungenkrebs
Atem
Brustkrebs
Atem
Eierstockkrebs
Gewebe und Blut
Prostatakrebs
Urin
Blasenkrebs
Urin
Darmkrebs
Atem und Stuhl
Gemeinnützige Organisationen trainieren Krebssuchhunde
h,p://www.dogsdetectcancer.org/ Gemeinnützige Organisationen in verschiedenen Ländern trainieren
Hunde für die Krebserkennung, z.B.:
• 
• 
• 
• 
Großbritannien:
Österreich:
USA:
D:
www.medicaldetectiondogs.org.uk
www.krebssuchhunde.at
www.dogsdetectcancer.org
teamcanin.com
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
Wie kommt es, dass Krebs anders riecht?
•  Der Stoffwechsel von Krebszellen ist stark verändert
•  Schnelles, unkontrolliertes Wachstum
Normal
Niere
Bauchspeicheldrüse
Sloan et al. BMC Cancer 2004 Karzinom
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)
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 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
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!
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
..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
Fruchtfliegen fliegen zum Wein, nicht zum Krebs...
Bild: News from NPR, Feb 28, 2013 Duftantworten können direkt auf der Antenne
abgelesen werden
•  50 verschiedene
Duftrezeptortypen
•  Räumlich verteilt auf
den Fühlern (Antennen)
Sensillen
mit
verschiedenen
Riechzellen
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
Die Fruchtfliege unter dem Mikroskop
•  Aktivität der Riechzellen bewirkt stärkere Fluoreszenz
Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
Ramón y Cajal
The cortex
(Nobel prize
in 1906)
http://qneuro.rutgers.edu/Research.html
Wieviele Nervenzellen hat:
Mensch: 100 000 000 000
Oktopus: 300 000 000
Maus: 75 000 000
Biene: 1 000 000
Fliege: 100 000
image source: http://www.scientificillustrator.com/art/wildlife/mouse.jpg;
http://static.howstuffworks.com/gif/willow/octopus-info1.gif;
http://survivalofthesickestthebook.com/blog/wp-content/uploads/2007/04/honeybee.jpg;
http://insects.eugenes.org/species/about/species-gallery/Drosophila_melanogaster/Drosophila_melanogaster.jpg
http://images.elfwood.com/art/d/a/danwhite/woman_standing.jpg (modified)
PET-­‐scan beim Menschen erforscht wo und wann das Gehirn ak:v ist de Quervain, Fischbacher, et al, 2004
:me/space rela:onship Intrazelluläres Kalzium steigt bei einer Duftantwort
Intrazelluläres Kalzium steigt bei einer Duftantwort
Antwort
im
Gehirn
auf
Nelkenduft
Antwort
im
Gehirn
auf den
Duft
Oktanol
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
Zurück zur Frage nach dem Krebs
Wir messen nicht im Gehirn,
sondern die Sinneszellen direkt auf der Antenne.
Duftantworten auf der Antenne bei Gabe von Brustkrebsdüften
0s
0.5 s
1s
gesund
Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports
Duftantworten auf der Antenne bei Gabe von Brustkrebsdüften
0s
0.5 s
1s
gesund
Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports
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
Analyse der Duftantwort-Muster
Strauch, Lüdke, Münch et al., 2014, Scientific Reports
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
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
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
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...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell riechen Insekten?
Odor-objects
AB = A + B!
48
Odor-objects
AB = A + B!
A
B
AB = A + B?
49
Cocktail party problem
www.shetakesontheworld.net
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 48:1417-25
50
An olfactory stimulus alone – when learned (CS+) does induce the proboscis extension reflex (CR)
Film: Juliane Ullrich, Randolf Menzel
Concurrent odor-object segregation?
800 ms
6 ms
6 ms
52
Szyszka et al 2012, PLoS One
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
53
Szyszka et al 2012, PLoS One
6-ms temporal difference in stimulus coherence is sufficient for odor-object segregation
800 ms
6 ms
Szyszka et al 2012, PLoS One
6 ms
A= nonanol or hexanol
B= hexanol or nonanol
54
6-ms temporal difference in stimulus coherence is sufficient for odor-object segregation
800 ms
6 ms
Szyszka et al 2012, PLoS One
6 ms
A= nonanol or hexanol
B= hexanol or nonanol
55
small shifts of few milliseconds
allow honeybees to extract more information
about the components in an odor mixture
can we see this in brain activity patterns?
Calcium responses in olfactory projection neurons
odor: 1-hexanol (loop)
Sachse & Galizia, 2002
Odor specific glomerular activity patters
octanol (repeated stimulation)
http://neuro.uni.kn
measurement: Silke Sachse
59
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
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
Hexanol, nonanol and the mixture
single odorants
vs.
coherent mixture.
A
B
AB
800 ms
62
20 Hz
Stierle et al., 2013
6 ms incoherent mixture
single odorants
vs.
coherent mixture
vs.
incoherent mixture
A
B
AB
800 ms
A.B / B.A
6 ms
63
20 Hz
Stierle et al., 2013
50 ms incoherent mixture
single odorants
vs.
coherent mixture
vs.
incoherent mixture
A
B
AB
800 ms
A.B / B.A
50 ms
64
20 Hz
Stierle et al., 2013
200 ms incoherent mixture
single odorants
vs.
coherent mixture
vs.
incoherent mixture
A
B
AB
800 ms
A.B / B.A
200 ms
65
20 Hz
Stierle et al., 2013
Olfactory receptors are fast!
Olfactory transduction takes less than 1.5 ms
14
Paul Szyszka. EAG on honeybee antenna.
Olfactory receptors are fast!
Olfactory receptor neurons track pulses at 125 Hz
n = 12 bees
15
Paul Szyszka. EAG on honeybee antenna.
-  smelling is fast!
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
© Birte Uellendahl Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
Überblick
1.  Der Geruch und Geschmack von Krankheiten
2.  Hunde können Krebs riechen
3.  Der Duft von Krebs
4.  Ein Exkurs in die Werkstatt...
5.  Krebsdufterkennung mit Hilfe der Fruchtfliege
6.  Möglichkeiten für die Zukunft
7.  ...Teil 2: wie schnell
riechen Insekten?
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