Präzise Durchflusssensoren ermöglichen personalisierte Medizin

Die Medizin hat die Lebensqualität der breiten Bevölkerung enorm verbessert. So sind Krankheiten wie Polio, Syphilis, Tuberkulose oder die Pest heutzutage nahezu ausgestorben und gut behandel- oder heilbar. Einen nächsten Meilenstein für die Medizin stellt nun die personalisierte Medizin dar. Sie zielt nicht auf die breite Masse der Bevölkerung ab, sondern hat das Ziel, das Individuum auch über die Diagnose hinaus in den Fokus zu rücken. So ist es möglich das individuelle Krankheitsbild, die physiologische Konstitution, aber auch das Geschlecht und die resultierenden spezifischen Auswirkungen von Therapien und Medikamenten zu berücksichtigen. Ein Ziel der personalisierten Medizin ist es, eine massgeschneiderte Pharmakotherapie für den jeweiligen Patienten aufzustellen und diese gegebenenfalls auch über den Therapieverlauf hinweg anzupassen.

Solche spezifischen Therapien werden durch das Zusammenspiel mehrerer moderner technologischer Errungenschaften möglich. Eine zugeschnittene Krebstherapie ließe sich somit beispielsweise durch die Integration von Durchflusszytometern, DNA-Sequenzierung und Organ-on-a-Chip Anwendungen realisieren.

Durchflusszytometer für Analyse und Diagnose

Durchflusszytometer sind Geräte, welche eine schnelle Analyse von Zellen erlauben. Bei diesem Messverfahren fließen Zellen in einer hohen Geschwindigkeit an einer Analyseeinheit vorbei, etwa elektrische Spannung oder Fluoreszenz. Die Wechselwirkung zwischen Zelle und der Spannung oder dem Licht hängt von der Form, Struktur, Größe und/oder Färbung der Zelle ab. So lassen sich Zellen mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert und mithilfe von einer nachgeschalteten Zellsortiertechnologie isolieren.

Besonders wichtig sind Durchflusszytometer im Zusammenhang mit im Blut zirkulierenden Tumorzellen (engl. Circulating Tumor Cells, CTCs). CTCs können aus einer Blutprobe eines Patienten isoliert werden und stellen somit, im Vergleich zu teils komplizierten und invasiven Biopsien, eine minimalinvasive Alternativmethode dar. Insgesamt lassen sich dadurch die Schmerzbelastung der Patienten das Gesamtrisiko und die Kosten der Biopsie senken. 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 essenziellen Daten aufzuzeichnen.

Erstmals feststellen konnten Mediziner CTCs bei einem Patienten im Jahr 1869. Die CTCs gelangen aus dem Primärtumor in den Blutkreislauf oder in das lymphatische System. Bereits in einem frühen Krankheitsstadium lassen sich CTCs im Blut von Patienten nachweisen. 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.

DNA-Sequenzierung zur Charakterisierung

Sind die CTCs isoliert, können Mediziner sie weiter charakterisieren. Diese Charakterisierung kann und muss bis auf die molekulare Ebene reichen. Selbst die DNA einer einzelnen Tumorzelle lässt sich sequenzieren. 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 den klassischen Sequenzierungsmethoden zu ermitteln. Die gewonnenen Informationen könnten so Aufschluss über die Art des Tumors, die spezifischen Mutationen der CTCs und somit eine Indikation über den möglichen Krankheitsverlauf und die relevanten Therapien geben. Die Kombination aus NGS und CTCs macht einen Ersatz der traditionellen Biopsie in Zukunft möglich.

Organ-on-a-Chip-Technologien

Als nächster Schritt könnte in Zukunft eine Organ-on-a-Chip-Technologie (OOC) folgen. OOC ist eine hoch-technologische 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 näher zu kommen, 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 die mechanischen und chemischen 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.

Hohe Präzision dank Sensorik

Funktionsprinzip eines Durchflusssensors. Sensirion

Das Zusammenspiel dieser Technologien und Anwendungen hat ein immenses Potenzial. Die Möglichkeiten scheinen grenzenlos, allerdings kämpfen alle genannten Anwendungen mit ähnlichen Hürden. Diese Hürden entstehen aus ihrem Vorteil der hohen Präzision. Um verlässliche Ergebnisse und somit die Effektivität für die Patienten zu garantieren ist es unbedingt notwendig, alle internen Prozesse der jeweiligen Systeme genauestens zu definieren, zu messen und zu kontrollieren. 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 von Sensirion wieder. Das Unternehmen bietet diverse Umwelt- und Durchflusssensorik. Neben CO₂, PM2.5 und 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 × 10 mm² lässt er sich auch in sehr kleine medizinische Geräte, wie beispielsweise die sogenannten Point-of-Care-Geräte integrieren. Neben der exzellenten Biokompatibilität – Glas ist das einzige benetzte Material des Sensors – sprechen das bewährte mikrothermische Messprinzip, mit seiner hohen Genauigkeit und Messgeschwindigkeit bei niedrigsten Flussraten für die Verwendung des LPG10 in den genannten Anwendungen.

Messprinzip eines mikrothermischen CMOSens-Durchflusssensors

Die Flüssigkeitsdurchflusssensor von Sensirion ermöglichen Technologien wie Organ-on-a-Chip oder nicht invasive Krebserkennung. Sensirion

Die CMOSens-Technologie integriert einen sehr schnellen, miniaturisierten thermischen Sensor zusammen mit der gesamten hochpräzisen Auswerteschaltung auf einem einzigen CMOS-Mikrochip. Ein Heizelement auf dem Mikrochip bringt für die thermische Flussmessung eine minimale Wärmemenge in das Medium ein. Zwei Temperatursensoren, symmetrisch oberhalb und unterhalb der Wärmequelle positioniert, erfassen mit hoher Sensitivität kleinste Temperaturdifferenzen und liefern so die grundlegende Information über die Wärmeausbreitung, welche direkt mit der Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit steht.

Mit der Integration auf einem einzigen Chip wird sichergestellt, dass die empfindlichen, analogen Sensorsignale störungsfrei und hochpräzise verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet werden können, sodass der Chip dem Anwender direkt ein kalibriertes und linearisiertes Signal über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung stellt.

(prm)