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Multiwellplatte Neuartige Multiwellplatte ermöglicht Lauschangriff auf lebende Zellen

Autor / Redakteur: Bernhard Becker*,**, Peter Wolf*,**, Martin Brischwein**, Helmut Grothe**, Marlies Zottmann*,**, Reg / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Zellbasierte Untersuchungen im Hochdurchsatzverfahren spielen im Laboralltag eine zunehmend wichtige Rolle. Ein Team um Prof. Dr. Bernhard Wolf vom Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München hat in Kooperation mit HP Medizintechnik ein multiparametrisches System zur automatischen Durchführung zellbasierter Assays entwickelt. Lesen Sie, welche Einsatzmöglichkeiten diese neuartige Multiwellplatte bietet.

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Abb. 1: Sensorbestückte Multiwellplatte (a) mit Deckel (b): Die schematische Vergrößerung (c) zeigt die Aufsicht des zylinderförmigen Zellkulturbereichs (Mitte) mit den Sensoren sowie die beidseitig vorhandenen Mikrofluidik-Kanäle.
Abb. 1: Sensorbestückte Multiwellplatte (a) mit Deckel (b): Die schematische Vergrößerung (c) zeigt die Aufsicht des zylinderförmigen Zellkulturbereichs (Mitte) mit den Sensoren sowie die beidseitig vorhandenen Mikrofluidik-Kanäle.
( Bild: HP Medizintechnik/TU München )

Zellbasierte Assays sind einer der am schnellsten wachsenden Märkte im Bereich der Biotechnologie und Pharmazeutik. Sie erlauben es u.a. toxische Effekte von Substanzen schnell abzuschätzen oder ineffektive Wirkstoffkandidaten, im Vorfeld von kostenintensiven klinischen Studien, zu selektieren. Im Bereich der Geräteentwicklung geht der Trend hierbei zur Automatisierung und Parallelisierung. Inzwischen sind eine Reihe unterschiedlicher Geräte bzw. Messmethoden erhältlich, die verschiedene Parameter der zu untersuchenden Zellen detektieren, um daraus relevante Erkenntnisse zum Zustand der Zellen zu gewinnen. Manche Effekte lassen sich dabei gut über (licht-)mikroskopische Beobachtung beurteilen, andere greifen in den Stoffwechsel ein und sind deshalb über metabolische Veränderungen wie Säuerabgabe und Sauerstoffverbrauch der Zellen sichtbar. Zur Detektion morphologischer und proliferativer Veränderungen der Zelle bieten sich Anwendungen aus dem Bereich der Impedanzmessung biologischer Membranen an. Dabei steht jedoch bei vielen momentan erhältlichen Systemen in der Regel ein Parameter im Vordergrund (z.B. Impedanz oder Mikroskopie), über den alle aufgetretenen Effekte und Veränderungen im Messsignal interpretiert werden müssen. Hierdurch wird der Spielraum für den späteren Anwender eingeschränkt. Zusätzlich zu den sensorischen Herausforderungen stellt die Automatisierung und Parallelisierung, insbesondere bei der Untersuchung lebender Zellen, ingenieurtechnische Aufgaben bei der Entwicklung automatischer Lebenserhaltungs- und Wirkstoffzugabesysteme.

Kombination von Screeningmethoden durch modulares System

Am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der TU München wurden aus diesem Grund in den vergangenen Jahren Kompetenzen entwickelt, mit dem Bestreben, die Vorteile der derzeit verfügbaren Technologien zu vereinen [1, 2]. Das daraus hervorgegangene IMR-System (Intelligent Microplate Reader) (s. Abb. 2) ist modular aufgebaut und besteht, neben einem Pipettierroboter für die Medien- und Wirkstoffversorgung, aus der Sensorik für Impedanz- und Metabolismusmessungen und einem automatischen Mikroskop [3]. Das gesamte System ist in einem Zellkulturschrank untergebracht, der für gleichbleibende Umweltbedingungen sorgt. Dadurch sind flexible und beliebig lange Experimente möglich. Dieses System wurde im Rahmen eines BMBF-geförderten Projekts entwickelt und wird zukünftig durch HP Medizintechnik in den Markt eingeführt.

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Multiwellplatte mit Mikrofluidik-Kanälen

Herzstück des Screening-Systems ist eine modifizierte Multiwellplatte (s. Abb. 1). In ihr sind Sensoren für pH, pO2 und Impedanz untergebracht, die von außen ausgelesen werden und deren Messwerte jederzeit in Echtzeit am Computer verfolgt werden können. Die Platte besitzt 24 komplett mit Sensoren bestückte Wells, wodurch 24 unabhängige Experimente gleichzeitig möglich sind. Jedes Well besitzt eigene, in die Multiwellplatte eingearbeitete Mikrofluidik-Kanäle, die einen definierten Mediendurchsatz im Zellkulturbereich ermöglichen. Medienwechsel sind darüber automatisier- und reproduzierbar und führen nicht zu Schwankungen im Messsignal. Die Verwendung des Pipettierroboters minimiert zudem die Gefahr von (menschlichen) Pipettierfehlern und Kontaminationen.

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