Forschung

Laborarbeit überflüssig: Mikrochip kann Krebs diagnostizieren

Eine Erfindung aus Kassel könnte die Diagnostik von Krebserkrankungen und anderen Leiden vereinfachen und beschleunigen. Der neue Sensor ist kostengünstiger und exakter als bisherige Verfahren. Ziel ist die Entwicklung eines Batteriebetriebenen Chips, den jeder selbst bedienen kann.

Nanowissenschaftler Dennis Holzinger bereitet einen Versuch mit dem neuartigen Analysechip vor. Er platziert ihn auf den Träger eines Elektromagneten, der das magnetische Kraftfeld zur Steuerung der zu untersuchenden Flüssigkeit auf dem Chip aufbaut. Mit einem Mikroskop (Mitte) kann Holzinger den Verlauf des Versuchs beobachten. (Foto: Dilling/Uni Kassel)

Nanowissenschaftler Dennis Holzinger bereitet einen Versuch mit dem neuartigen Analysechip vor. Er platziert ihn auf den Träger eines Elektromagneten, der das magnetische Kraftfeld zur Steuerung der zu untersuchenden Flüssigkeit auf dem Chip aufbaut. Mit einem Mikroskop (Mitte) kann Holzinger den Verlauf des Versuchs beobachten. (Foto: Dilling/Uni Kassel)

Physiker und Biochemiker der Universität Kassel haben eine neuartige Technikplattform entwickelt. Mithilfe von „Fängermolekülen“ können bösartige Tumore schnell erkannt werden. Ein durch Magnetfelder und magnetisierte kleinste Partikel gesteuertes Reinigungs- und Transportsystem entdeckt mithilfe eines Sensors Indikatoren für das Vorhandensein eines bösartigen Tumors. Blut oder Gewebeschnitte werden genau analysiert. Darauf haben die Wissenschaftler bereits ein europäisches Patent beantragt.

Bei der Erkennung von Krebserkrankungen spielen sogenannte Biomarker eine große Rolle. Das sind Biomoleküle, die auf das Vorhandensein eines bösartigen Tumors hindeuten, wenn sie in einer bestimmten Menge vorliegen.

Dazu zählen beispielsweise HER2, das bestimmte Brustkrebsarten indizieren kann, und das Oberflächenprotein EpCAM, das bei Epithelzellentumoren verstärkt auftritt. Mithilfe von Antikörpern können diese Moleküle heute bereits detektiert werden. Doch das ist zeit- und kostenaufwändig. Die Analyse der Proben erfolgt in großen Labors.

Hier soll die Entwicklung aus Kassel vieles vereinfachen. Ihre neuartige Technikplattform wollen die Wissenschaftler auf einem nur zwei Zentimeter großen, batteriebetriebenen Diagnose-Chip unterbringen, der ambulant und sogar vom Patienten selbst bedient werden könnte.

Das ist zwar noch Zukunftsmusik. Doch innerhalb von drei Jahren könnte mit den Ergebnissen dieser Grundlagenforschung ein Prototyp gebaut werden, schätzt Arno Ehresmann vom Institut für Physik der Universität Kassel. Ist der Sensor erst marktreif, könnte beispielsweise der Chirurg schon während einer Krebsoperation untersuchen, ob er sämtliches Tumorgewebe entfernt hat, erläutert Ehresmann, der bei der Entwicklung des Sensorsystems mit Friedrich Herberg vom Institut für Biologie/Biochemie und dem Biochemiker Andreas Plückthun von der Universität Zürich zusammenarbeitet.

Gemeinsam haben die drei Wissenschaftler die Grundlagen für die drei Komponenten der Erfindung entwickelt: Plückthun „baut“ im Labor maßgeschneiderte Fängermoleküle, so genannte DARPins, spezielle, robuste Proteine, die in der Lage sind, Krebs-Biomarker besonders fest an sich zu binden. Herberg ist für die komplexe Chemie zum Anhängen der Fängermoleküle an magnetische Partikel verantwortlich.

Das Transportsystem sorgt dafür, dass genügend analysefähiges Material aus der zu untersuchenden Körperflüssigkeit zum Sensor transportiert wird. 0,5 bis 2 Mikrometer kleine magnetisierte Polymerpartikel, in die magnetische Eisenoxidkörnchen eingebettet sind, werden durch ein wechselndes Magnetfeld fortbewegt und gesteuert. Sie dienen den Fängermolekülen, an die die Biomarker angedockt haben, als Vehikel auf ihrem Weg zum Sensor.

Dieser Transportprozess war die besondere Herausforderung für den Wissenschaftler. Denn die zu detektierenden Biomarker sind im Blut nicht gleichmäßig, sondern eher zufällig verteilt. Außerdem verursachen eine Vielzahl anderer Proteine und Moleküle beim Analysevorgang ein „Hintergrundrauschen“, das das Signal der gesuchten Biomarker überdeckt. Weiterhin verklumpen magnetische Partikel, weil sie sich gegenseitig anziehen. Alle drei Probleme wurden gelöst. Dabei wird der sogenannte Superparamagnetismus dazu genutzt, um die wechselnde magnetische Ausrichtung dieser Teilchen zu steuern und ein Verklumpen zu verhindern.

Die bewegten Partikel sorgen für eine Verwirbelung der zu analysierenden Flüssigkeit und erleichtern so das Andocken von Biomarkern an die Fängermoleküle. Horizontal gestapelte, dünne Schichten aus teilweise magnetisiertem Nanomaterial sorgen für ein magnetisches Kraftfeld, das die zu untersuchenden Molekül-Partikel-Gespanne wie in einem Geleitzug gleichmäßig zur Sensoroberfläche lenkt. Während dieser „Reise“ durchwandern sie mehrere parallel angeordnete streifenförmige Flüssigkeitskanäle, in denen Bestandteile, die die Analyse verfälschen können, nach und nach aus der Flüssigkeit gewissermaßen ausgewaschen werden.

Für den Bau eines Prototyps sind noch hohe Investitionen notwendig. Ehresmann und seine Kollegen prüfen zurzeit, ob die Gründung eines Spin-Off-Unternehmens für die Vermarktung des Sensors geeignet ist, oder ob ein mittelständisches Unternehmen diese vielversprechende Technologie in ein Produkt umsetzt. Auch Kooperationen mit Ärzten sind für die Forscher interessant.

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