Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einzelne Zellen handhaben und detektieren für den Hochdurchsatz

12.12.2016

Für die Diagnose und Therapie vieler Krankheiten, aber vor allem auch für die Produktion vieler Medikamente sind die Isolierung und Handhabung von Einzelzellen wichtige Werkzeuge. Ein schnelles effizientes Zellsortierungs- und Handhabungssystem des Fraunhofer IPA kann Kosten und Zeit in der Entwicklung und Produktion von neuen Arzneimitteln drastisch verringern.

Viele Erkrankungen werden durch einzelne Zellen bewirkt. Zirkulieren in der Blut- oder Lymphlaufbahn beispielsweise Tumorzellen, können Tumore entstehen oder sich Metastasen im Körper bilden. Dieses Wissen aus der Einzelzellanalytik der Lebenswissenschaften soll zukünftig als diagnostisches Werkzeug oder zur Entwicklung sehr spezifisch wirkender Arzneimittel genutzt werden.


Isolierung von Zellen in einer Multititerplatte: Das Prinzip dabei lautet: »one cell one well«.

Fraunhofer IPA, Rainer Bez


Automatisiertes Beladen des I-DOTs. Die einfache Einbindung in komplexe biologische Prozesse wird durch standardisierte Geräteschnittstellen ermöglicht.

Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Gelingt die Isolation und eine Vorselektion auf eine überschaubare Anzahl einzelner Zellen, so können die existierenden Werkzeuge zur Analyse des Genoms, Transkriptoms und Proteoms auf diese Zellen angewendet werden. Was in der »defekten« Zelle abläuft und welche Effekte der Defekt hervorruft, können dadurch entdeckt und Maßnahmen, wie diese Defekte am besten therapiert werden, abgeleitet werden.

Außer für Diagnose und Therapie von Krankheiten sind die Einzelzellhandhabung und Einzelzellablage wichtige Werkzeuge in der Produktion vieler Medikamente. Heute auf den Markt kommende Arzneimittel werden zunehmend biotechnologisch produziert. Alle dort eingesetzten Zellen sind Klone, die auf eine einzelne Zelle zurückgehen. Die Identifikation dieser »Ursprungszelle« erfolgt in einem vorgelagerten aufwendigen Entwicklungsschritt, in der die optimal produzierende Zelle aus einer riesigen Zellkohorte isoliert, abgelegt und anschließend weiter kultiviert wird.

Es sind bereits verschiedene Methoden zur Isolierung und Handhabung von Einzelzellen am Markt etabliert. Alle zeichnen sich durch hohe Kosten oder durch einen begrenzten Durchsatz aus. Wissenschaftler haben die am Fraunhofer IPA entwickelte, bereits etablierte I-DOT-Technologie (immediate-drop-on-demand-Technology) weiterentwickelt und aufgerüstet.

Das neue Werkzeug zur Einzelzellhandhabung und Selektion »FASCINATE« (Fluorescence Activated Single Cell Isolation using Nanodroplet Technologies) besteht aus Gerätemodulen einer zellschonenden Dosierung einzelner Zellen in einzelnen Tropfen, einer Detektionseinheit zur Identifizierung von Einzelzelltropfen sowie einer Analytik zur spezifischeren Charakterisierung einer Einzelzelle im Tropfen.

Handhabung setzt gleichmäßige Verteilung der Zellen voraus

Die Handhabung von Zellen, insbesondere Einzelzellen, stellt enorme Herausforderungen an die eingesetzten Werkzeuge. Die Handhabung muss zum einen steril erfolgen, während der gesamten Prozessschritte darf keine Kontamination mit Fremdzellen auftreten. Zum anderen müssen die physikalischen Einflüsse verstanden und kontrolliert sein, da zum Beispiel zu hohe Scherkräfte zu einem Absterben der Zellen führen können.

Eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Zellvereinzelung ist die homogene Verteilung der Zellen im Ausgangsgefäß, um diese homogen und letztendlich vereinzelt aus diesem dosieren zu können – eine große Herausforderung für viele Zellarten. Der Grund: Zellen sedimentieren als Partikel und viele Zellarten neigen dazu, zu verklumpen, was diesen Vorgang noch verstärkt. Im Extremfall kann dies zu einer Verstopfung des eingesetzten Dosier- oder Pipettiertools führen.

Dispensiergerät mit hohem Zelldurchsatz

Für viele der oben beschriebenen Anwendungsfälle, vor allem in der Produktion von Arzneimitteln, liegen sehr großen Zellzahlen vor. Hier muss die Isolierung und Einzelzellablage in einer sehr hohen Vereinzelungsrate und im Idealfall parallelisiert durchgeführt werden. Der I-DOT bietet die idealen Voraussetzungen dafür, da er bis zu acht Tropfen im Nanoliterbereich gleichzeitig dosieren kann.

Vier Einzeltechnologien für eine ganzheitliche Zellvereinzelungs-, Dosier- und Detektionseinheit

Zur Umsetzung von FASCINATE wurden vier Technologien entwickelt, die Resuspendier-, Dosier-, Zelldetektions- und die Auswerteeinheit. In der sogenannten Resuspendiereinheit wird das Stoffgemisch wiederholt aufgemischt, um eine effektive Zellvereinzelung zu gewährleisten. Das patentierte Resuspendierverfahren besteht aus einer Pipettiernadel, die durch wiederholtes Aufsaugen und Auspipettieren der Zellsuspension an der Nadelspitze definierte und sehr geringe Scherspannungen erzeugt. Der eigentliche Dosiervorgang muss so erfolgen, dass auch hier möglichst geringe mechanische und fluidische Störkräfte auf die Zellen einwirken, die Zellschäden verursachen könnten.

Hierfür wurde eine angepasste Düsengeometrie mit größeren Kapillardurchmessern und abgerundeten Kanten entwickelt. Die Hauptinnovation besteht in einem Detektionsmodul, das einzelne Zellen im Tropfen messen kann. Zu diesem Zweck werden spezifische Zellen mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen angefärbt. Über einen Laser mit einer spezifischen Anregungswellenlänge und einer spezifischen Detektionseinheit können dann die Zellen identifiziert werden. Die aufgenommenen Signale werden abschließend in Echtzeit ausgewertet, um leere Tropfen und Tropfen mit einer oder mehreren Zellen voneinander unterscheiden zu können.

Die aufgeführten Technologien wurden in einem ersten Versuchsstand getestet und werden nun als erste Anwendung in den I-DOT integriert, um dieses grundsätzliche Dosierprinzip in ein schnelles effizientes Zellsortierungs- und Handhabungssystem zu erweitern. Darüber hinaus sind alle Einzeltechnologien aber auch in anderen Dosierverfahren einsetzbar.

Fachlicher Ansprechpartner: Michael Klinger, Telefon +49 711 970-1627, michael.klinger@ipa.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.ipa.fraunhofer.de/innovationspreis_2016.html

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neurobiologie - Die Chemie der Erinnerung
21.11.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Diabetes: Immunsystem kann Insulin regulieren
21.11.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie