Microelectronic meets Medicine

Gesund durch Elektronik

Das Forschungsgebiet der Mikroelektronik hat sich in den letzten 50 Jahren spektakulär entwickelt und stetig erweitert. Ursprünglich zumeist für Systeme der Nachrichten- und Datentechnik konzipiert, werden entsprechende Technologien heute auch für die Lösung medizinischer Fragestellungen verwendet und in der Bioanalytik erfolgreich eingesetzt. Dieser Artikel zeigt in Form einer Übersicht, welche Chip- und analytischen Mikrosysteme bereits existieren und welche Anwendungen sich damit realisieren lassen.

Bild 4: Darstellung des μLa-Handheld-Systems für mobile zellbiologische Assays.

Auf der Basis umfangreicher Grundlagenforschung an den Standorten Freiburg, Rostock und München hat die Gruppe um Bernhard Wolf vom Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik (HNLME) an der Technischen Universität München über die letzten 25 Jahre hin eine Reihe von medizinelektronischen Geräten entwickelt. Diese sind mittlerweile in der medizinischen Erprobung oder bereits im praktischen Einsatz. In Ausgründungen und Partnerfirmen wurde die technische Qualität der Systeme bis zur Zertifizierung beständig weiter perfektioniert.

Ausgehend von der elektronenmikroskopischen Erforschung von Stoffwechselalterationen an Tumorzellen wurden analytische Mikrosysteme entwickelt, die sowohl in vitro als auch in vivo metabolische Untersuchungen an Tumoren erlauben. Diese multiparametrischen Chips, in unterschiedlichen Technologien ausgeführt (Silizium-, Glas-, Keramik-, Drucktechnologie), werden sowohl für die originären medizinischen Fragestellungen als auch für andere analytische Lösungen im Bereich der Bioanalytik eingesetzt.

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Chip statt Maus
Um Tierversuche im Rahmen der Wirkstoffsuche zu ersetzen (Wirkstofftestung oder Umweltanalytik), werden verschiedene Lösungen für zelluläre Tests erprobt. Eine Form davon ist die multiparametrische Untersuchung lebender Zellen und Gewebe in einer in vivo gleichwertigen Umgebung. Das ermöglichen zelluläre Assays auf bioelektronischen Sensorchips. Der Chip ersetzt dabei sozusagen das lebende Versuchstier. Die in die Chips integrierten Sensoren erfassen unterschiedliche Parameter der Zellen, die es erlauben, auf Reaktionen ihres Metabolismus zu schließen. Die Zellen werden im Hinblick auf die extrazelluläre Ansäuerung (pH), die zelluläre Atmung (pO2), Änderungen der zellulären Morphologie (Bioimpedanz), sowie Biopotenziale und die Temperatur untersucht. Die extrazelluläre Ansäuerung und die zelluläre Atmung geben Aufschluss über die Vitalität der Zell- oder Gewebeprobe. Die Bioimpedanz-Messung liefert Informationen über die Proliferations- und Morphologieänderungen. Mit dieser Versuchsform können beispielsweise Wirkstoffe an Zellen getestet werden, ohne dass dabei Tiere zu Schaden kommen.

Für die Messungen wurde ein mobiles Testsystem, das IMOLA, entwickelt. Das Intelligente Mobile Labor, ein Fluidiksystem, in das man den Chip mit den Zellen einsetzt, bestehend aus einer Pumpe und unterschiedlichen Gefäßen für Zellkulturmedien. Über die Fluidik kann Wirkstoff zu den Zellen zugegeben oder ausgespült werden. Das geschlossene mobile System ermöglicht einen einfachen Betrieb außerhalb von Reinraumlaboratorien. Ein ergänzendes Software-Modul konfiguriert und kontrolliert den Verlauf der Experimente. Damit werden Pumpzyklen, Flussgeschwindigkeit, Auswahl des Zellkulturmediums und Dauer der Experimente eingestellt. Zusätzlich werden die Messdaten graphisch dargestellt und in einer Datenbank abgelegt.

Mit dem IMOLA-System wurden bereits unterschiedliche lebende Zelltypen wie Suspensionszellen (z.B. Hefen und Algen), adhärente Zelllinien (z.B. MCF-7, L929, HeLa), humanes Primärgewebe oder dreidimensionale Sphäroide untersucht. Bild 3 veranschaulicht in einer Beispielmessung die Ansäuerungsaktivität von 3D-Mikrogewebe. Anwendungspotentiale in den Bereichen individualisierte Chemotherapie, Wirkstoffentwicklung, regenerative Medizin, Alternativmethoden zu Tierversuchen und Umweltmonitoring wurden durch Schlüsselexperimente belegt.

Handlicher Verbraucherschutz
Durch eine weitere Miniaturisierung des Systems ist ein tragbares, drahtlos arbeitendes Handheld-Gerät entstanden. Mit dem unter dem Namen „µLa“ (Mikro-Labor) realisierten Instrument konnten - über die Vitalitätsbestimmung an lebenden Zellen - Experimente zur Untersuchung von Lebensmitteln durchgeführt werden. Darin wurde der Einfluss von handelsüblichen Spritzmitteln (Fungiziden) auf die Vitalität von Hefezellen überprüft. Erstmals zeigte sich, dass lebende Zellen als Signalwandler für Lebensmitteltests einsetzbar sind. Im Experiment hatte selbst die niedrigste vom Hersteller empfohlene Konzentration des Mittels bereits Einfluss auf die Vitalität der Zellen. Mit dem Mikro-Labor sind demnach Tests auf xenogene Rückstände schnell und sensitiv zu realisieren.

Automatisierte High Content Analytik an lebenden Zellen
Das Prinzip der (multiparametrischen) Messungen an Zellen wurde in Form einer komplexen Zell-Chip-Plattform, dem Intelligent Microplate Reader IMR (Bild 5), fortgesetzt. Mit diesem automatisierten Pipettier-Roboter wird das dynamische Antwortverhalten von Zellen auf äußere Einflüsse realitätsnah und unter Echtzeitbedingungen untersucht: Über das System werden gleich mehrere Zellparameter parallel aufgezeichnet und mikroskopiert. Der IMR besteht aus einem Pipettier-Roboter, einem Klimatisierungssystem, wahlweise einer Ausleseeinheit für opto-chemische Sensoren oder einem vollautomatisierten Prozessmikroskop, sowie einer elektronischen Einheit zum Auslesen elektro-chemischer Sensoren. Dank des automatisierten Austausches der verwendeten Kulturmedien bzw. der Zugabe von Wirkstofflösungen unter definierten Umgebungsbedingungen können Assays mit einer Laufzeit von mehreren Tagen bis zu einigen Wochen durchgeführt werden.

Für die Tests wurde eine multiparametrische Mikrotiterplatte mit mehreren Sensoren für morphologische und metabolische Parameter ausgestattet und ein 3-Kammer-Fluidiksystem integriert. Die speziell für den Roboter entwickelte Sensorplatte umfasst 24 einzelne Reaktionskammern (Wells). Jedes Well beinhaltet jeweils einen opto-chemischen Sensor für pH-Wert und Gelöst-Sauerstoff sowie eine interdigitale Elektrodenstruktur aus Platin zur Messung des komplexen Wechselstromwiderstandes. Sie sind auf dem Glassubstrat der Platte aufgebracht. In der Mitte jedes Wells befindet sich eine freie mikroskopierbare Fläche, welche zur Bildgebung im Durchlicht- bzw. Fluoreszenzverfahren verwendet wird. Die Zellen bzw. Gewebeproben werden im Sensorbereich des Wells kultiviert.

Therapie ganz persönlich
Das IMR-System dient u.a. der individualisierten Tumor-Chemotherapie. Durch funktionale Tests an den Zellen wird das Reaktionsverhalten humaner explantierter Tumorgewebe (z.B. Mammakarzinom) in Realzeit und ohne Markierungsschritte auf Chemotherapeutika analysiert. Anhand der erkannten zellmetabolischen Raten kann beurteilt werden, ob eine signifikante Chemosensitivität besteht oder nicht. Dadurch ergeben sich differenziertere Entscheidungsmöglichkeiten hinsichtlich der Medikation.

In Bild 7 ist eine Chemosensitivitäts-Messung einer humanen Mammakarzinom-Probe dargestellt. Ein solcher personalisierter Test der pharmakologischen Wirksamkeit verabreichter Präparate bietet den behandelnden Ärzten und auch den betroffenen Patienten eine zusätzliche rationale Basis für die Entscheidung für oder gegen eine Chemotherapie.

Zusammenfassung
Die hier dargestellten Chiptechnologien und Testsysteme an Zellen werden bereits über Ausgründungen des HNLME und das angeschlossene Innovationszentrum Medizinische Elektronik (IME e.V.) sowie industrielle Partner in der Praxis umgesetzt.

Die IMOLA-Technologie wurde durch die Ausgründung cellasys GmbH (http://www.cellasys.com) zur Marktreife weiterentwickelt und kommerzialisiert.

Die funktionalen Tests zur Messung der Chemosensitivität für die individualisierte Tumor-Therapie werden derzeit im Rahmen einer klinischen Studie standardisiert und evaluiert.

Referenzen
M. Sattler, J. Clauss, M. Schmidhuber, J. Belsky, B. Wolf, „Implantable sensor system for the monitoring of bone healing“, In: Ratko Magjarevic, Olaf Dössel und Wolfgang C. Schlegel (Hg.): IFMBE Proceedings. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 281-284, 2009.

M. Schmidhuber, J. Bähr, J. Wiest, B. Wolf, „Ein mobiler Biosensor mit lebenden Zellen zur Detektion von Pestiziden in Obst“. In B. Wolf (Hrsg.) Bioelektronische Diagnose- und Therapiesysteme - m³: microelectronic meets medicine, Aachen, Shaker Verlag 2012, pp.267-277, ISBN: 978-3-8440-0831-9.

J. Wiest, U. Schnakenberg, Ch. Koch, W. Wirths, F. Stadler, T. Bachinger, H. Grothe, B. Wolf, „An Iridium-oxide pH sensor for cell based assays“, Biomed Tech , 56 (Suppl. 1) DOI 10.1515/BMT.2011.276, 2011.

Wolf, P., Kleinhans, R., Schwarzenberger, T., Pfister, C., Brischwein, M., Wolf, B.: Automated Platform for Sensor-Based Monitoring and Controlled Assays of Living Cells and Tissues. Biosensors&Bioelectronics (2013), 50, 111-117

Kleinhans, R., Brischwein, M., Wang, P., Becker, B., Demmel, F., Schwarzenberger, T., Zottmann, M., Niendorf, A., Wolf, B.: „Sensor-Based Cell and Tissue Screening for Personalized Cancer Chemotherapy“ Medical and Biological Engineering and Computing (2012), 50, 117-126, 2012.

Autoren
Prof. Bernhard Wolf
Ordinarius am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München
E-Mail: wolf@tum.de

Karolin Herzog
Kommunikation und Projektkoordination am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München
E-Mail: herzog.ka@tum.de

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