mikrofluidischen Sonde

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Februar 2014
Hintergrundinformationen
IBM Research:
Die Microfluidic Probe – ein neues vielversprechendes Instrument für die Krebsdiagnose
Wissenschaftler von IBM Research – Zürich präsentieren auf der diesjährigen Cebit den Prototyp eines kompakten und einfach zu
handhabenden Instruments zur Diagnose von verschiedenen Krebsarten. Damit kann es Pathologen in der Erstellung von personalisierten
Behandlungsstrategien unterstützen. Das Instrument basiert auf einer
mikrofluidischen Sonde aus Silizium – einer Art „Mikropipette“ – die
derzeit am Universitätsspital Zürich getestet wird.
Ein zentrales Nachweisverfahren in der Krebsdiagnose ist die Untersuchung einer Gewebeprobe aus einer Biopsie. Diese Proben sind mitunter
kaum größer als ein Stecknadelkopf. Aufgabe der Pathologen ist es, bei
einem Verdacht selbst in kleinsten Gewebeproben allfällige Krebszellen
aufzuspüren und möglichst viele Informationen für die Diagnosestellung
und den Behandlungsplan zu gewinnen.
Zur Analyse einer Gewebeprobe färben Pathologen die Probe mit einem
flüssigen Reagenz, einem Färbemittel für spezifische Proteine, sogenannte
Krebsmarker. Anhand der Intensität und Verteilung der Färbung können
eine allfällige Erkrankung und deren Ausmaß bestimmt werden. Diese Methode liefert zwar Erkenntnisse über die Art des Tumors, mittlerweile ist
allerdings bekannt, dass es signifikante Variationen innerhalb einer Tumorart gibt. Diese genauer zu erfassen, könnte dabei helfen, die individuellen
Ursachen für einen Tumor besser zu verstehen und folglich die Erstellung
von personalisierten Behandlungsplänen unterstützen. Außerdem bedarf
es für das Einfärben der Gewebeproben unter Umständen sehr teurer Reagenzien und jede Gewebeprobe kann nur einmal getestet werden.
Mitunter sind jedoch mehrere verschiedene Tests für die Diagnose notwendig. Daher wäre ein neues Instrument, das einerseits nur wenig
Färbemittel verbraucht und andererseits mehrere Tests mit sehr kleinen
Gewebeproben zulässt, vorteilhaft.
Die von IBM Forschern entwickelte mikrofluidische Sonde (englisch Microfluidic Probe oder MFP) erfüllt genau diese Anforderungen. Mit Hilfe einer
computerunterstützten Steuerungsmechanik leitet die MFP ein Färbemittel
mikrometergenau auf einen Bereich einer Gewebeprobe und färbt so
Krebsmarker mit sehr geringen Mengen an Färbemittel ein. Durch ihre hohe Präzision und Effizienz birgt sie großes Potenzial für den Nachweis von
Variationen innerhalb eines Tumors – in der Medizin spricht man von der
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Heterogenität eines Tumors. Damit könnte die MFP Pathologen dabei helfen, den Zustand eines Tumors genauer zu bewerten und sie so dabei
unterstützen, die am besten geeignete Therapie zu bestimmen.
Mehr Daten für gezielte Diagnosen
Die Leistungsfähigkeit des neuen Instruments lässt sich auch an einer gesteigerten Datenintensität erkennen. Mit der Sonde werden sehr große
Mengen an Informationen über eine Gewebeprobe gewonnen, die in den
Bildern der eingefärbten Krebszellen enthalten sind. Hinzu kommt, dass die
MFP die gleichzeitige Durchführung verschiedener Tests und damit eine
schnellere und differenziertere Datengewinnung erlaubt. Die Nutzung dieser Daten birgt immenses Potenzial, insbesondere wenn sie in BiopsieDatenbanken und Krebsforschungsorganisationen weltweit gespeichert und
geteilt werden können. Vor diesem Hintergrund hoffen die Wissenschaftler,
dass die Sonde den Ärzten bei der Erstellung von personalisierten Behandlungsplänen für die an Krebs leidenden Personen – pro Jahr kommen
weltweit 12,5 Millionen neue Fälle hinzu – unterstützen kann.
Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich (USZ)
Die Erforschung der Heterogenität von Tumoren mithilfe des neuen Instruments bildet den Schwerpunkt eines gemeinsamen Pilotprojektes von IBM
Research – Zürich und dem Institut für Klinische Pathologie des USZ. Die
Forscher konzentrieren sich dabei auf Lungenkrebs, eine der häufigsten
Krebsarten mit einer hohen Sterblichkeitsrate. „Wir hoffen, neue Technologien wie die mikrofluidische Sonde in die diagnostische
Molekularpathologie einzuführen, um unsere Analysefähigkeiten zu erweitern und bisher praktisch nicht durchführbare Untersuchungen zu
ermöglichen“, sagt Prof. Dr. Alex Soltermann, Leitender Arzt am Institut für
Klinische Pathologie des USZ. „Gelingt uns dies, wird das Instrument die
personalisierte Medizin – und damit eine potenziell höhere Diagnosesicherheit und bessere Erkennung von Krebsmarkern – weiter voranbringen.“
Dr. Peter Schraml, Privatdozent und Leiter der Tumorbank am gleichen
Institut, fügt an: „Das Instrument hat das Potenzial, Einblicke in die Biomarkerverteilung innerhalb des Tumorgewebes zu liefern, was uns helfen
könnte, die Entwicklung eines Tumors genauer zu verstehen.“
Halbleitertechnologie für die medizinische Analyse
Der wichtigste Teil der mikrofluidischen Sonde ist ein 8-Millimeter-breiter,
rautenförmiger „Düsenkopf" mit zwei Mikrokanälen, einem Auslasskanal,
um Färbemittel auf die Gewebeoberfläche zu leiten, und einem Einlass, um
die Flüssigkeit simultan abzusaugen. Das Färbemittel kann durch dieses
Prinzip kontrolliert sowie zuverlässig und mikrometergenau auf kleinste
Bereiche der Gewebeprobe aufgetragen werden. Durch die sehr lokal be-
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grenzte Färbung kann die Heterogenität des Gewebes präziser analysiert
werden.
Seit der Vorstellung der Technologie in der internationalen Fachgemeinschaft zu Beginn des Jahres 2012 sind wichtige Schritte hin zur
Praxistauglichkeit vollzogen worden. So ist das Instrument mittlerweile wesentlich kompakter und einfacher zu handhaben. „Wir testen die Sonde seit
über einem Jahr in unserem Labor, mit sehr guten Resultaten. Nun erproben wir die Technologie in der Anwendung“, erläutert Dr. Govind Kaigala,
Wissenschaftler des Forschungszentrums in Rüschlikon bei Zürich. Prof.
Dr. Holger Moch, Direktor des Institutes für Klinische Pathologie am USZ
unterstreicht: „Wir sind sehr erfreut über die Zusammenarbeit mit IBM in der
Entwicklung von Technologien für den Einsatz in der klinischen Pathologie.
Es ist ein schönes Beispiel für translationale Forschung, die auch dabei
helfen könnte, einige fundamentale Fragen der Wissenschaft zu beantworten“.
Die IBM Forscher hoffen darüber hinaus, mit einem geeigneten Partner aus
dem Bereich der Medizinaltechnik, der die Technologie lizenziert, eine
Kommerzialisierung der Technologie vorantreiben zu können.
Die mikrofluidische Sonde wird am Binnig and Rohrer Nanotechnology
Center auf dem Campus von IBM Research – Zürich entwickelt und hergestellt.
Die Forschung wird teilweise durch den European Research Council Starting Grant „BioProbe“ finanziert. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit
dem USZ wird durch SystemsX.ch, die Schweizer Forschungsinitiative in
Systembiologie, gefördert.
Weiterführende Informationen finden Sie unter: www.bioprobe.eu
Hochaufgelöstes Bildmaterial: ibm.biz/BdRfE4
Youtube Video: ibm.biz/BdRvyR
Bitte kontaktieren Sie uns für hochaufgelöstes Videomaterial.
Über IBM Research – Zürich: www.zurich.ibm.com
Medienkontakt:
Grit Abe
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IBM Research – Zürich
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