Mikrofluidische Plattformen: neue Anwendungen für die Krebsdiagnostik

Zellseparation mit magnetischen Mikropartikeln

Voraussetzung für eine schnellere und effektivere Behandlung von Tumorerkrankungen ist die Früherkennung von Zellveränderungen. Entsprechende Methoden sind Gewebebiopsien bzw. die sogenannte "Liquid Biopsy", bei der beispielsweise aus Blut von Patientenproben seltene Tumorzellen isoliert und charakterisiert werden.

Hierfür haben im Rahmen eines Forschungsprojekts die Hahn-Schickard-Gesellschaft (Freiburg/Br.) und das Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (Heilbad Heiligenstadt) mikrofluidische Plattformen entwickelt, deren Konzept eine neue Generation leistungsfähigerer Zellseparationssysteme repräsentiert. 

Jeder zweite Mann und rund 43 Prozent der Frauen erkranken im Laufe ihres Lebens an Krebs. Im Jahr 2012 waren dies laut Zentrum für Krebsregisterdaten (ZfKD) deutschlandweit rund 478.000 Neuerkrankungen. Um Krebs gezielter zu bekämpfen, ist die frühzeitige Erkennung ein entscheidender Schlüssel. Die Untersuchung von klinisch relevanten Einzelzellen durch deren Separation und Detektion aus Blutproben mit mikrofluidischen Modulen liefert hierzu einen wichtigen Baustein.

Im Gegensatz zu bisherigen Systemen ermöglicht das entwickelte Disk-Layout einen störungsfreien Ablauf der Zellseparation aus Vollblutproben. Die hierzu notwendigen Prozessschritte wurden in zwei Modulen realisiert, welche zunächst die störenden Erythrozyten von den weißen Blutkörperchen abtrennt (Modul I) und anschließend die Zielzellen separiert (Modul II). Während der Separationsprozedur docken die mit Antikörpern beschichteten Mikropartikeln (Beads) gezielt an die Expressionsrezeptoren der gesuchten Zellen an. Alle Prozessschritte erfolgen innerhalb einer Stunde in einer kommerziellen Zentrifuge.

Mit einer Zellfindungsrate von ca. 80 Prozent sind die Ergebnisse bereits vielversprechend. Parallel hierzu wurden Untersuchungen mit einer Chip-Plattform durchgeführt. Gegenüber der Disk-Plattform ist einerseits eine deutlich größere Menge an Blutproben verwendbar. Andererseits werden die Zielzellen ohne vorherige Behandlung aus dem Blut mit entsprechenden magnetischen Beads separiert. Die Wiederfindungsraten der Zielzellen lagen bei den Versuchen der Chip-Plattform mit ca. 98 Prozent im Bereich kommerzieller Systeme. Auch hinsichtlich der Robustheit ist die Chip-Plattform der Disk-Plattform überlegen.

Künftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Kombination beider Konzepte. Dadurch soll ein breites Volumenspektrum (500 µL bis 100 mL) für die biomagnetische Separation mit einer zusätzlichen Zellcharakterisierung zur Verfügung stehen. Die Anwendung bedient vor allem den medizinischen bzw. klinischen Markt.

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