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Durchflusszytometrie leicht gemacht

Jede Zelle einzeln analysieren

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Fraunhofer-Wissenschaftler haben ein neuartiges Durchflusszytometer entwickelt. Welche Vorteile es bringt, beschreibt Michael Baßler im LP-Interview.Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

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„ Neben der Krebsdiagnostik kann unser System u.a. auch in der Gewässerkon­trolle eingesetzt werden.“ Dr. Michael Baßler, Gruppenleiter Biophysikalische Analytik am Fraunhofer ICT-IMM
„ Neben der Krebsdiagnostik kann unser System u.a. auch in der Gewässerkon­trolle eingesetzt werden.“ Dr. Michael Baßler, Gruppenleiter Biophysikalische Analytik am Fraunhofer ICT-IMM
(Bild: Fraunhofer ICT-IMM)

LP: Herr Dr. Baßler, Tumorzellen im Blut eines Patienten geben darüber Aufschluss, inwieweit eine Krebsbehandlung angeschlagen hat. Für die Zählung der Tumorzellen verwendet man üblicherweise Durchflusszytometer. Wie funktioniert die Zählung, und welche Nachteile ergeben sich in der Handhabung der herkömmlichen Geräte?

Dr. Michael Baßler: Die Anfänge der Durchflusszytometrie gehen zurück auf die späten sechziger Jahre. Im klassischen Aufbau können chemische oder physikalische Eigenschaften biologischer Zellen in Suspension gemessen werden, wenn der Fluidstrom eine Detektionszone passiert. So lassen sich die relativen und absoluten Häufigkeiten dieser Zellen in der Suspension bestimmen. Während diese Methode bereits umfassend in der biomedizinischen Forschung und in klinischen Laboratorien Anwendung findet, ist sie bis jetzt ungeeignet für die immer häufiger diskutierten diagnostischen Point-of-care-Anwendungen. Aktuell werden die Zielzellen in der Suspension mit einem Fluoreszenzlabel markiert, das typischerweise Licht im sichtbaren Bereich emittiert. Diese „gefärbten“ Zellen werden dann in eine Durchflusszelle überführt und dort durch hydrodynamische Fokussierung im Flüssigkeitsstrom hintereinander aufgereiht. Beim Durchgang durch die Detektionszone wird jede einzelne Zelle mit Licht aus einer Laserquelle angeregt. Eine Fotodiode registriert sowohl die Fluoreszenz- als auch die Streulichtsignale. Die Geräte sind dabei ausgelegt auf eine maximale Sensitivität bei gleichzeitig möglichst hohem Durchsatz. Dabei ist es wichtig, dass der Abstand zwischen den Zellen wenigstens zweimal so groß ist wie der Durchmesser des Laserstrahls. Dies limitiert die erreichbaren Zellzählraten bei einer bestimmten Flussgeschwindigkeit und ist der Grund, warum der Einsatz z.B. bei der Bestimmung zirkulierender Tumorzellen im Blut von Krebspatienten bislang noch stark verbesserungswürdig ist.

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LP: Das klingt nach einem aufwändigen Aufbau.

Dr. Michael Baßler: Das stimmt, existierende Geräte kosten oftmals mehrere hunderttausend Euro und nehmen mehr Platz ein, als ein bis zwei Haushaltsgroßgeräte. Die Untersuchung dauert mehrere Stunden und ist für den Klinikalltag zu teuer und zu zeitintensiv. Die Geräte lassen sich außerdem nur von Experten bedienen und müssen täglich kalibriert werden.

LP: Sie haben nun ein Durchflusszytometer entwickelt, mit welchem die Analyse viel schneller und einfacher ablaufen soll. Welche Änderungen wurden vorgenommen? Welche Vorteile bietet das System in der Krebsanalyse?

Dr. Michael Baßler: Am Fraunhofer ICT-IMM wurde im Rahmen des ERC-Starting Grants Pocyton eine Technologie erarbeitet, die es erlaubt, die Durchflusszytometrie kosteneffizient zu miniaturisieren und in der Anwendung einfacher handhabbar zu machen. Die Technik ermöglicht Fluoreszenzanregung und Detektion mit einseitigem optischen Zugang. Das System ist so platzsparend (in etwa die Größe eines Schuhkartons) und einfach integrierbar. Die Optik hat zudem eine selbstjustierende Funktion, sodass mikrofluidische Einwegsysteme aus Kunststoff mit moderaten Anforderungen an die Fertigungstoleranzen für die biologischen Proben genutzt werden können. Dies vereinfacht die Handhabung. Aufwändige Reinigungsschritte können entfallen. Die Messung erfolgt automatisch, eine Kalibrierung ist nicht erforderlich. Anhand der Legionellenzählung in Trinkwasser oder der Erkennung zirkulierender Tumorzellen in Patientenblut konnte gezeigt werden, dass die Sensitivität der Technologie für relevante medizinische und biologische Fragestellung ausreicht. Zwei wesentliche Innovationen machen dies möglich. Zum einen eine platzsparende und einfach handhabbare Einkopplung des Anregungslichtes in das Einwegsystem und zum anderen eine empfindlichkeitsverstärkende räumliche Modulation des Fluoreszenzsignales. In der Praxis bedeutet dies, dass mit diesem Gerät entsprechende Untersuchungen dank der besonderen Auslegung der zu passierenden Engstelle etwa zwanzigmal schneller durchgeführt werden können. Dennoch ist die Geometrie so gewählt, dass sich nach wie vor keine Zelle unter der anderen verstecken kann. Die Anschaffungskosten liegen mit wenigen tausend Euro in einer Dimension, die den Einsatz im Klinikbetrieb rentabel macht. Für den Patienten liegt der große Vorteil darin, dass sich der heute in der Praxis unumgängliche Einsatz der Computertomografie in der Therapiekontrolle durch eine simple Blutprobe ersetzen lässt. Die Ergebnisse sind schnell verfügbar, und das bei einer Sensitivität, die es erlaubt in den benötigten 10 Millilitern Blut die maximal vorhandenen fünf zirkulierenden Tumorzellen sicher aufzuspüren.

LP: In welchen Bereichen soll Pocyton außerdem Anwendung finden? Wann werden die ersten Geräte einsatzbereit sein?

Dr. Michael Baßler: Das Potenzial unseres Durchflusszytometers geht über die Messung der Tumorzellen hinaus. Betrachtet man die sich entwickelnden Märkte, werden zwei Trends das Wachstum tragen: anwendungsspezifische und einfach bedienbare Geräte für den dezentrale Einsatz außerhalb von Laboren sowie automatisierte Systeme mit integrierter fluoreszenzbasierender Zellzählsensorik. Beide Ansprüche erfüllt Pocyton. Als mögliche Anwendungsfelder sind hier vor allem die Ermittlung des Immunstatus eines Patienten vor dem Hintergrund einer AIDS-Erkrankung (CD4-Zähler), die Überwachung der Trinkwasserqualität (z.B. hinsichtlich einer Legionellenkontamination), Monitoring der Algenblüte und die Kontrolle von Lebensmittelkulturen zu nennen. Wenn die Entwicklung weiterhin so erfolgreich verläuft, könnten die ersten Geräte bereits Mitte 2017 im Einsatz sein.

Herr Dr. Baßler, ich danke Ihnen für das Gespräch.

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