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Sensortechnologie ebnet den Weg zur personalisierten Medizin

| Autor/ Redakteur: Moritz Kneipp / Kathrin Schäfer

Eine personalisierte Krebstherapie könnte zukünftig auf der schnellen Analyse von Zellen basieren. Miniaturisierte, biokompatible Sensoren leisten hier einen entscheidenden Beitrag.

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Im Blut zirkulierenden Tumorzellen können aus der Blutprobe eines Patienten isoliert und im Anschluss charakterisiert werden. Um verlässliche Ergebnisse zu garantieren, müssen alle internen Prozesse der jeweiligen Systeme genau definiert, gemessen und kontrolliert werden – hier kommt Sensortechnik ins Spiel.
Im Blut zirkulierenden Tumorzellen können aus der Blutprobe eines Patienten isoliert und im Anschluss charakterisiert werden. Um verlässliche Ergebnisse zu garantieren, müssen alle internen Prozesse der jeweiligen Systeme genau definiert, gemessen und kontrolliert werden – hier kommt Sensortechnik ins Spiel.
(Bild: iStock / Sensirion)
  • Personalisierte Medizin
  • Durchflusszytometer, DNA-Sequenzierung und Organ-on-a-Chip-Anwendungen
  • Im Blut zirkulierende Tumorzellen (Circulating Tumor Cells – CTCs)

Ein Ziel der personalisierten Medizin ist es, eine maßgeschneiderte Pharmakotherapie für den jeweiligen Patienten aufzustellen und diese gegebenenfalls auch über den Therapieverlauf hinweg anzupassen. Ermöglicht werden solche spezifischen Therapien durch das Zusammenspiel mehrerer moderner technologischer Errungenschaften. Eine zugeschnittene Krebstherapie könnte somit beispielsweise durch die Integration von Durchflusszytometern, DNA-Sequenzierung und Organ-on-a-Chip-Anwendungen realisiert werden.

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Mit Durchflusszytometern lassen sich Zellen rasch analysieren

Durchflusszytometer sind Geräte, welche eine schnelle Analyse von Zellen erlauben. Bei diesem Messverfahren fließen Zellen in einer hohen Geschwindigkeit an einer Analyseeinheit wie zum Beispiel elektrischer Spannung oder Fluoreszenz vorbei. Die Wechselwirkung zwischen Zelle und Spannung oder auch Licht hängt von der Form, Struktur, Größe und/oder Färbung der Zelle ab. So können Zellen mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert und mit Hilfe einer nachgeschalteten Zellsortiertechnologie isoliert werden.

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Im Blut zirkulierende Tumorzellen lassen sich im frühen Krankheitsstadium nachweisen

Besonders wichtig sind Durchflusszytometer im Zusammenhang mit im Blut zirkulierenden Tumorzellen (englisch Circulating Tumor Cells beziehungsweise CTCs). CTCs können aus der Blutprobe eines Patienten isoliert werden und stellen somit, im Vergleich zu teils komplizierten und invasiven Biopsien, eine minimal-invasive Alternativmethode dar. Insgesamt können dadurch die Schmerzbelastung der Patienten, das Gesamtrisiko und die Kosten der Biopsie gesenkt werden. Bei Fällen, in welchen die Lage und Position des Primärtumors eine traditionelle Biopsie unmöglich macht, könnten CTCs verwendet werden, um trotzdem die für die Diagnose essentiellen Daten aufzuzeichnen.

Im Jahr 1869 wurden CTCs zum ersten Mal bei einem Patienten festgestellt. Sie gelangen aus dem Primärtumor in den Blutkreislauf oder in das lymphatische System. Bereits in einem frühen Krankheitsstadium können CTCs im Blut von Patienten nachgewiesen werden. Da ihr Aufkommen mit 1-10 CTCs pro ml Vollblut im Vergleich zu Millionen weißer und Milliarden roter Blutkörperchen in der gleiche Menge Blut aber extrem niedrig ist, bedarf es hochsensibler Durchflusszytometer und -sortierer, um sie zu detektieren und zu isolieren.

Die Charakterisierung von CTCs gibt Aufschluss über den Krankheitsverlauf

Sind die CTCs isoliert, können sie weiter charakterisiert werden. Diese Charakterisierung kann und muss bis auf die molekulare Ebene reichen. Sogar die DNA einer einzelnen Tumorzelle kann sequenziert werden. Verlässliche und zeitlich relevante Daten können die sogenannten Next Generation Sequencing (NGS) Technologien liefern.

NGS ermöglicht es, die Nukleotid-Abfolge von DNA mit höherem Durchsatz als bei klassischen Sequenzierungsmethoden wie beispielsweise der Sanger-Sequenzierung zu ermitteln. Die gewonnenen Informationen könnten so Aufschluss über die Art des Tumors sowie die spezifischen Mutationen der CTCs geben und damit eine Indikation über den möglichen Krankheitsverlauf und relevante Therapien sein. Die Kombination aus NGS und CTCs macht einen Ersatz der traditionellen Biopsie in Zukunft möglich.

Als nächster Schritt könnte in Zukunft eine Organ-on-a-Chip-Technologie (OOC) folgen. OOC ist eine hochtechnologische Ausprägung von Zellkulturen. Klassische zweidimensionale Zellkulturen in Petrischalen haben den Nachteil, dass sie weit von der in vivo-Situation entfernt sind. Um den in vivo-Verhältnissen näherzukommen, wurden dreidimensionale Zellkulturen entwickelt. In solchen dreidimensionalen Zellkulturen können die Zellen in alle Richtungen wachsen und bilden so die Mikroumgebung in lebendem Gewebe mit den charakteristischen Zelle-Zelle- und Zelle-Matrix-Interaktionen naturgetreuer nach. Neben den räumlichen Randbedingungen spielen für noch realistischere Modelle auch mechanische und chemische Belastungen eine Rolle. Gewebe, wie die Lunge oder auch das Herz, sind klassische Beispiele für Organe, welche nur mit Bewegung ihre volle Funktion erfüllen können. Die Gewebebewegung resultiert in Dehnungs- und Kompressionskräften auf die Zellen und die extrazelluläre Matrix. In OOC-Lungenkulturen werden zum Beispiel durch die Verwendung von Vakuumtechnologie Bewegungen erzeugt, die denen der in vivo-Lunge sehr nahestehen. Durch die Kombination verschiedener Gewebetypen ist es sogar möglich, komplette Human-on-a-Chip-Modelle zu generieren, um so auch die metabolischen und physiologischen Effekte von Therapien zu simulieren. Die Verwendung von OOC kann so nicht nur die personalisierte Medizin voranbringen, sondern ermöglicht es auch, die Anzahl an Tierversuchen in der Forschung zu reduzieren.

Den Sensoren werden Genauigkeit und Präzision abverlangt

Das Zusammenspiel dieser Technologien und Anwendungen hat ein immenses Potential. Die Möglichkeiten scheinen grenzenlos, allerdings kämpfen alle genannten Anwendungen mit ähnlichen Hürden. Diese Hürden entstehen aufgrund ihrer hohen Präzision. Um verlässliche Ergebnisse und somit Effektivität zu garantieren, müssen alle internen Prozesse der jeweiligen Systeme genau definiert, gemessen und kontrolliert werden. Die hohen Anforderungen an die Genauigkeit sowie die Kleinstmengen an Proben, die zur Verfügung stehen, benötigen entsprechende Sensortechnologien, um die Prozesse genauestens steuern zu können.

Diese Sensortechnologien finden sich im Produktportfolio der Firma Sensirion wieder. Sensirion gehört zu den führenden Unternehmen in der Umwelt- und Durchflusssensorik. Neben CO2-, PM2.5-, Feuchte- und Temperatursensoren komplettieren Differenzdruck- und Gas- und Flüssigkeitsdurchflusssensoren das Produktportfolio. Ein Beispiel für einen solchen Flüssigkeitsdurchflusssensor ist der LPG10. Mit seinen Abmessungen von 10 mal 10 mm2 lässt er sich perfekt auch in sehr kleine medizinische Geräte, wie beispielsweise die so genannten Point-of-Care-Geräte, integrieren. Neben der exzellenten Biokompatibilität – Glas ist das einzige benetzte Material des Sensors – spricht das bewährte mikrothermische Messprinzip mit seiner außerordentlichen Genauigkeit und Messgeschwindigkeit bei niedrigsten Flussraten für die Verwendung des LPG10 in den genannten Anwendungen.

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