Medikamente mit zehntausenden winzigen Tropfen auf einer kleinen Glasplatte entwickeln

Was passiert, wenn ein Enzym auf einen m?glichen Wirkstoff trifft, der das Enzym hemmen oder aktivieren soll? Genau darum geht es in der Medikamentenentwicklung. Die Wechselwirkung eines Enzyms mit einem Wirkstoffmolek¨¹l ist aber ?usserst aufwendig zu analysieren. Die Forschungsgruppe von Petra Dittrich, Professorin f¨¹r Bioanalytik an der ETH Z¨¹rich, hat deshalb ein Verfahren entwickelt, das solche Tests radikal vereinfacht: Mit ihrer Methode lassen sich auf einer Glasplatte bis zu 100'000 winzige Tropfen mit Enzymen und Substraten erzeugen ¨C in nur 40 Minuten und ohne Pipette.

Bisher nutzten die meisten Forschenden f¨¹r solche Analysen sogenannte Mikrotiterplatten, standardisierte Kunststoffplatten von der Gr?sse einer Hand mit bis zu rund 1500 kleinen Vertiefungen. Jede davon ist quasi ein Mini-Reagenzglas, das mit Pipetten bef¨¹llt wird. Die neue Methode der ETH-Forschenden ist effizienter, ressourcenschonenderen und flexibler.

Tropfen landen punktgenau

Herzst¨¹ck der Methode ist eine beschichtete Glasplatte, die etwa so gross wie ein Objekttr?ger f¨¹r ein Mikroskop ist: rund zwei auf sieben Zentimeter. Ihre Oberfl?che ist mit einer wasserabweisenden Schicht ¨¹berzogen, die an bis zu 100'000 Punkten freigelegt wurde: winzige wasserliebende (hydrophile) Landepl?tze f¨¹r Tropfen. Die Testl?sung wird durch ein feines R?hrchen auf die Glasplatte geleitet, die sich unter pr?ziser Steuerung bewegt. Sobald die Fl¨¹ssigkeit einen hydrophilen Punkt erreicht, trennt sich ein winziger Tropfen ab und bleibt genau dort haften. Die Tropfen sind winzig: Ihr Durchmesser liegt je nach Gr?sse der Glasplatte zwischen 50 und 250 Mikrometern ¨C d¨¹nner als ein Haar und mit blossem Auge kaum zu erkennen.

Damit die Tropfen stabil bleiben, liegt die ganze Glasplatte in einem flachen ?lbad. Das ?l verhindert, dass die winzigen Fl¨¹ssigkeitsmengen verdampfen, auch nicht bei Experimenten, die ¨¹ber Tage laufen. Zugleich sch¨¹tzt das ?l vor Verunreinigungen. Nach dem Versuch kann das ?l sogar aufgefangen, gereinigt und erneut verwendet werden. 

Die gesamte Tropfenproduktion erfolgt automatisiert in einem kompakten Ger?t so gross wie ein Mikroskop, das zus?tzlich auch mikroskopieren, Zellen kultivieren und automatisch die Proben wechseln kann. ?Fr¨¹her brauchte man eine halbe Stunde, um alles richtig einzustellen?, sagt Breitfeld. ?Heute reicht dank unserer Automatisierung ein Knopfdruck, und das Experiment kann starten?, sagt Maximilian Breitfeld, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Dittrich. Durch die Kombination aus pr?ziser Steuerung und physikalischem ?l-Schutz l?sst sich die Zusammensetzung der Tropfen gezielt variieren ¨C mal mit mehr, mal mit weniger Wirkstoff. So entstehen feine Konzentrationsverl?ufe. Forschende k?nnen darin zum Beispiel Enzyme ¨¹ber l?ngere Zeit beobachten oder den Effekt der Wirkstoffe auf Zellen in hochparallelisierten Tests untersuchen. Analysiert werden die Tropfen anschliessend entweder mit Fluoreszenzmikroskopie oder mit Massenspektrometrie. So lassen sich etwa Enzymreaktionen exakt verfolgen.

Wenn Stunden zu Minuten werden

Die Grundidee stammt aus fr¨¹heren Arbeiten der Gruppe, in denen sie bereits Tropfen f¨¹r Screening-Anwendungen erzeugten. ?Wir wussten, wie die Technologie prinzipiell funktioniert, aber sie war zu langsam, um in der Praxis konkurrenzf?hig zu sein?, sagt Dittrich. Den entscheidenden Schritt machten die damaligen Doktoranden Maximilian Breitfeld und Claudius Dietsche: Ihr neu entwickeltes Verfahren beschleunigt nicht nur die Tropfenerzeugung massiv, sondern automatisiert auch den gesamten Ablauf.

Die ETH liess das Verfahren nicht nur patentieren, sondern nominierte es auch als Finalist f¨¹r den diesj?hrigen Spark Award.

Eine grosse Datenmenge bew?ltigen

Die enorme Leistungsf?higkeit der Methode bringt auch eine neue Herausforderung mit sich. ?Wir erzeugen eine riesige Menge an Daten?, sagt Dittrich. ?Das ist manuell gar nicht mehr auszuwerten ¨C daf¨¹r brauchen wir Softwarel?sungen, die uns helfen, die Informationen sinnvoll zu analysieren.?

W?hrend die Datenmengen rasant anwachsen, bleibt der Ressourcenverbrauch erstaunlich gering: Pro Experiment k?nnen bis zu f¨¹nf Kilogramm nicht recycelbaren Plastik gespart werden, das eingesetzte ?l l?sst sich auffangen, und der Chemikalienverbrauch ist im Vergleich zu herk?mmlichen Methoden drastisch reduziert. Ein ganzer Experimentdurchlauf ben?tigt statt Litern an Reaktionsmedium nur noch Mikroliter.

Dennoch hat die Methode klare Grenzen. Die winzigen Tropfen eignen sich perfekt f¨¹r schnelle Reaktionen in kleinen Volumina, wie sie in der Mikrofluidik ¨¹blich sind. F¨¹r gr?ssere Fl¨¹ssigkeitsmengen oder Gewebekulturen, die ¨¹ber mehrere Wochen wachsen, ist die neue Methode nicht geeignet.

Von der Forschung zur Ausgr¨¹ndung

Die Forschenden planen nun ein Spin-off, um die Methode zur Marktreife zu bringen. Verkauft werden soll ein Komplettsystem bestehend aus Glasplatten, Ger?t und Software ¨C und optional auch gleich darauf basierende biologische Tests.

?F¨¹r mich ist entscheidend, dass das System wirklich zuverl?ssig und einfach zu bedienen wird?, sagt Dietsche. ?Nur wenn wir die Benutzerfreundlichkeit garantieren k?nnen, kann es auch ausserhalb unseres Forschungslabors eingesetzt werden.? Die Nachfrage sei bereits sp¨¹rbar, berichten die Forschenden, und die Nominierung f¨¹r den Spark Award gibt ihnen zus?tzlichen R¨¹ckenwind f¨¹r die geplante Ausgr¨¹ndung.