Dieser Biochip stellt schnell Blutvergiftungen fest
Foto: © Fraunhofer IPM

Das menschliche Blut gibt Aufschluss über vielerlei Erkrankungen. Die Geschwindigkeit des Bluttests kann daher Leben retten – etwa bei einer Blutvergiftung. Mit einem neuen Biochip, den Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg entwickelt haben, können Mediziner das Blut künftig direkt in der Arztpraxis untersuchen und innerhalb von zwanzig Minuten liegt das Ergebnis vor.

Um etwa die Frage nach einer Blutvergiftung zu klären, nimmt der Arzt bislang Blut ab und schickt es zur Untersuchung an ein Zentrallabor. Dabei geht wertvolle Zeit verloren, die dem Patienten unter Umständen das Leben kosten kann. “Der neue Biochip wird in einem ebenfalls von uns konstruierten Gerät ausgewertet, das alle Untersuchungsschritte vollautomatisch durchführt”, erklärt Albrecht Brandenburg, Gruppenleiter am IPM. “Der Arzt muss lediglich die Blutprobe in das System stellen und auf das Ergebnis warten.” Je schneller und gezielter die Ärzte eine Sepsis erkennen und behandeln, desto größer sind die Überlebenschancen für den Patienten. Bereits im vergangenen Jahr hatte Fraunhofer -wie berichtet- ein Mini-Labor für Ärzte angekündigt und die Uni Saarland präsentierte kürzlich einen neue Krebsfrüherkennungs-Methode durch Bluttests.

Einen Prototyp des Geräts und des Biochips haben die Forscher bereits gemeinsam mit Kollegen einer Universitätsklinik erfolgreich getestet. Der Biochip wird jeweils nur einmal verwendet – entsprechend preisgünstig muss er sein: “Wir rechnen damit, dass er bei entsprechender Stückzahl langfristig nicht mehr als einen Euro kosten wird”, sagt Brandenburg. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: So lassen sich auch andere Erkrankungen wie Herzinfarkt oder Krebs untersuchen. Weiterhin ermöglicht der Chip Doping- und Urintests und Qualitätsprüfungen an Lebensmitteln.

Das Gerät arbeitet konkret so: Zunächst bereitet es die Blutprobe vor. Rote Blutkörperchen werden vom Blut getrennt, das zurückbleibende Blutplasma wird auf den Biochip geleitet. Leidet der Patient an einer Sepsis, bildet sein Immunsystem als Abwehrreaktion bestimmte Proteine aus. Diese nutzt der Biochip zur Diagnose: Auf dem Chip sind Antikörper verankert, die an genau diese Proteine ankoppeln können. Falls also Proteine im Blut sind, fischen die Antikörper diese aus der Flüssigkeit heraus und fixieren sie auf dem Chip.

Doch woher weiß das System, ob Proteine gefangen wurden? “Es spült eine Lösung mit passenden Antikörpern über den Chip, die wiederum mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind”, erläutert Manuel Kemmler, Wissenschaftler am IPM. “Diese binden an die Proteine – Antikörper, Protein und fluoreszenzmarkierter Antikörper sind damit fest aneinander und an die Oberfläche gekoppelt. Beleuchtet man den Chip, leuchtet der Farbstoff auf.” Das System sieht viele kleine Leuchtpunkte, die verraten, dass Protein im Blut war. Ist der Patient dagegen gesund, bleibt der Chip dunkel.

Andreas Keller, Bioinformatiker an der Universität Saarbrücken und Director Biomarker Discovery Center
Foto: uni-sb.de

Hoffnung auf eine neue Form der Früherkennung von Krebs nährt eine neue wissenschaftliche Studie. Gemeinsam mit Kollegen aus ganz Deutschland haben saarländische Wissenschaftler spezielle Moleküle im Blut untersucht, die neue Möglichkeiten für die Diagnose schwerer Krebserkrankungen wie zum Beispiel Lungen- und Prostatakrebs eröffnen.  Sie haben dazu bestimmte Signaturen identifiziert, die sich aus einer Kombination von Nukleinsäuren im Blut zusammensetzen. Auf dieser Grundlage könnten Mediziner in einigen Jahren etwa schwer zu entdeckende Tumore mit einfachen Bluttests bereits in frühen Stadien nachweisen. Bei Tumorerkrankungen ist eine frühe Diagnose besonders wichtig, da so die Chancen auf eine Heilung steigen.

In einem kooperativen Forschungsprojekt zwischen dem Heidelberger „Biomarker Discovery Center“ unter Federführung von Andreas Keller (Geburtsjahrgang 1982), der Humangenetik in Homburg, namentlich Petra Leidinger und Eckart Meese , der Heidelberger Firma febit und weiteren Wissenschaftlern wurden so genannte Biomarker untersucht, die Ärzten helfen sollen herauszufinden, ob ein Patient unter einer bestimmten Krankheit leidet. Dafür wurden spezielle Nukleinsäuren, die microRNAs, auf ihre Verwendbarkeit als Biomarker getestet. Die Forscher haben dabei keine einzelnen microRNAs untersucht, wie es bisher üblich war. Ihr neuer Ansatz lautete, gleich ganze Gruppen dieser Nukleinsäuren zu untersuchen, welche dann eine spezifische Signatur ergeben.

Werden solche für eine Krankheit spezifischen Signaturen bei einem Patienten festgestellt, könnten sie helfen, eine Diagnose bereits in einem frühen Stadium zu ermöglichen, und zwar mit einem einfachen Bluttest. Die untersuchten Krankheiten, beispielsweise Tumore der Lunge, der Prostata und des Magen-Darm-Traktes, waren alleine aufgrund der microRNA-Signaturen nicht nur im Vergleich zu gesunden Kontrollgruppen, sondern auch von anderen Krankheitsbildern diagnostisch gut voneinander zu unterscheiden. „Dies ist für Tumorerkrankungen besonders relevant, da mit einer frühen Diagnose eine größere Aussicht auf Heilung verbunden wird”, bewertet Petra Leidinger das Ergebnis der Forschungen. Eckart Meese sieht auch Vorteile in der deutlich einfacheren Untersuchung: „Mit diesen Arbeiten wurde ein Grundstein dafür gelegt, mit einem einzigen Bluttest eine Vielzahl von Erkrankungen durch microRNA-Expressionsmessungen mit hoher Zuverlässigkeit zu diagnostizieren“, so der Professor für Humangenetik an der Uni des Saarlandes.

Darüber hinaus bergen microRNA-Signaturen die Möglichkeit, als so genannte prognostische Marker zu dienen, um bei einzelnen Patienten die Wirkung von Medikamenten besser vorhersagen zu können. Damit würden microRNA-Signaturen  zur Entwicklung einer „personalisierten Medizin“ beitragen, deren Ziel es unter anderem ist, anhand individueller genetischer Merkmale eine optimale Therapie für den einzelnen Patienten zu erreichen. Dies sind aber sicherlich Perspektiven, deren Realisierung noch viel Zeit und auch finanziellen Aufwand erfordern wird.

Das Fraunhofer Biolabor
Foto: FraunhoferIBMT

Dank Labortests lassen sich viele Krankheiten heute zuverlässig diagnostizieren. Doch diese in-vitro-Analysen kosten oft wertvolle Zeit. Ein System der Fraunhofer-Forscher, das selbst komplexe Analysen vor Ort ermöglicht, steht jetzt kurz vor der Marktreife. In einem Verbundprojekt haben Forscher aus sieben Fraunhofer-Instituten nun eine modular aufgebaute Plattform für in-vitro-Diagnostik entwickelt, mit der sich unterschiedliche Bioanalysen – etwa von Blut und Speichel – direkt in der Arztpraxis durchführen lassen.

Kernelement des Mini-Labors sind laut Fraunhofer Einweg-Kartuschen aus Kunststoff, die mit unterschiedlichen Sensoren bestückt werden können. Für eine Analyse befüllt der Arzt die Kartusche mit entsprechenden Reagenzien – Bindemitteln, die bestimmte Stoffe wie Antigene im Probenmaterial nachweisen. Je nach Fragestellung stehen ihm außerdem unterschiedliche Nachweisverfahren – englisch Assays – bereit. Um einen Assay durchzuführen, muss der Arzt nur die Kartusche mit den entsprechenden Substanzen beladen, der Test läuft dann automatisiert ab.

Ist die Kartusche entsprechend präpariert, legt sie der Arzt in das Messsystem ein. Die Ergebnisse der Speichel- und Bluttests kann er wahlweise mit optischen oder elektrochemischen Biosensoren auslesen. Für beide Methoden haben die Forscher im Messsystem je ein Auslesefenster mit einem Bypass installiert, durch den die Probe gepumpt wird. So erhält der Arzt auch bei komplexen Analysen innerhalb von etwa 30 Minuten ein Ergebnis. Eine neues Modul auf der Rückseite der Kartusche ermöglicht es zudem, das Probenmaterial auf DNA-Ebene zu untersuchen.

“Dank ihres Baukastenprinzips ist unsere ivD-Plattform so flexibel, dass sie sich für alle möglichen bioanalytischen Fragestellungen eignet”, so Eva Ehrentreich-Förster vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Potsdam-Golm:” Wir haben die Assays dabei so optimiert, dass sich in einem einzigen Analyseschritt bis zu 500 Nachweisreaktionen parallel durchführen lassen”.

Das Mini-Labor steht kurz vor der Marktreife. Die Wissenschaftler stellen die ivD-Plattform vom 23. bis zum 26. März auf der Messe Analytica in München vor. Neben medizinischen Anwendungen hat Ehrentreich-Förster noch weitere Märkte im Blick: “Die ivD-Plattform eignet sich auch für die Lebensmittelanalytik oder für Dopingkontrollen.”