Zellen in der Radarfalle – Diagnostik in Sekundenschnelle

Ein Tropfen Blut enthält zahlreiche wertvolle Informationen. Allerdings dauert es immer noch mehrere Stunden, bis das Blut eines Patienten analysiert und eine Diagnose getroffen werden kann. Dadurch geht wichtige Behandlungszeit verloren. Eine neue Methode soll diesen Prozess nun erheblich beschleunigen, indem die Zellen im Blut hinsichtlich ihrer Verformbarkeit und Immunreaktion getestet werden.

Im Interview mit MEDICA.de erklären Dr. Daniel Klaue und Dr. Christoph Herold die von ihnen entwickelte Technologie der Real-time deformability cytometry, welche Möglichkeiten sich dadurch für die Medizin eröffnen könnten und was reife Früchte damit zu tun haben.

Dr. Klaue und Dr. Herold, was passiert bei der Real-time deformability cytometry?

Dr. Daniel Klaue: Wir erklären das gerne mit einem Beispiel aus dem Alltag: Sie gehen in den Supermarkt und möchten dort eine besonders reife Frucht kaufen. Wie weich oder fest diese ist, können Sie jedoch nur feststellen, indem Sie sie in die Hand nehmen und draufdrücken. Mit bloßem Auge sehen die Früchte alle gleich aus. Ebenso ist es auch bei Zellen. Anhand der Festigkeit einer Zelle können wir etwas über ihren Zustand herausfinden – zum Beispiel, ob eine Immunzelle beziehungsweise weißes Blutkörperchen flexibel genug ist, um aus der Blutbahn ins viel dichtere Gewebe zu wandern und dort Pathogene zu bekämpfen. Durch die reine Betrachtung der Zelle können wir diese Aussage nicht treffen. Eine winzig kleine Zelle können wir im Gegensatz zu einer Frucht natürlich nicht einfach in die Hand nehmen. Das ist das eine Problem. Zum anderen möchten wir nicht nur auf zehn Früchte draufdrücken, sondern auf Millionen von Zellen in beispielsweise einem Tropfen Blut. Wir haben nun gemeinsam mit Prof. Jochen Guck von der TU Dresden eine Technologie entwickelt, bei der viele Zellen innerhalb einer sehr kurzen Zeit abgetastet werden können. Bei dieser werden die Zellen durch einen engen Kanal bewegt – dank eines bestimmten Strömungsprofils, das darin herrscht. Die Zellen fließen in der Mitte schneller als an den Rändern, ähnlich wie bei einem Fluss. Dabei verformt sich eine weichere Zelle stärker als eine festere. Gleichzeitig machen wir ein Bild von jeder Zelle, aus dem wir die Verformung berechnen und welches weitere Informationen liefert. Unser Gerät macht das mit tausend Zellen pro Sekunde. Im Prinzip funktioniert unsere Technologie ähnlich wie eine Radarfalle: In dem Kanal rasen sehr viele Zellen vorbei, von denen wir ständig Bilder machen, die wir anschließend auswerten.

Wie kam es zur Entwicklung dieser Technologie?

Klaue: Die Methode, dass durch Druck auf die Zellen und anhand ihrer Verformbarkeit etwas herausgefunden werden kann, gibt es schon seit ein paar Jahrzehnten. Das wurde bisher aber auf andere Art und Weise und wesentlich langsamer gemacht. In der Arbeitsgruppe von Prof. Guck haben wir einen Forschungsprototypen entwickeln können, bei dem die Zellen wie erwähnt durch einen Kanal fließen. Es stellte sich heraus, dass viele Forscher Interesse an unserer Technologie haben, sodass wir eine Ausgründung gemacht und den Prototypen zu einem kommerziellen Gerät – dem AcCellerator – entwickelt haben, den wir an Wissenschaftler verkaufen können.

Worin besteht der Vorteil gegenüber anderen Bluttests?

Klaue: Die Verformbarkeit einer Zelle ist natürlich ein sehr grober Parameter. Wir weisen keine spezifischen Moleküle oder Botenstoffe nach, sondern betrachten einzig und allein die Immunzelle an sich und wie die körpereigene Reaktion aussieht. Der Vorteil gegenüber anderen Bluttests ist, dass wir einfach an einer anderen Stelle nachschauen. Unser Gerät wird nie alle anderen Geräte oder Tests in einem Krankenhaus ersetzen, aber es soll sie ergänzen. Es soll dem Arzt bei der Wahl der nächsten Therapieschritte helfen und diesen Prozess damit beschleunigen und insgesamt effektiver und effizienter machen.

Dr. Christoph Herold: Im Prinzip handelt es sich bei unserer Methode um eine Bewertung des Immunsystems. Wir können nicht prüfen, welches Bakterium sich genau im Blut befindet. Aber wir sehen, ob überhaupt etwas vorhanden ist, das das Immunsystem dazu veranlasst, dagegen zu kämpfen. Ein großer Vorteil ist, dass wir eine sehr geringe Blutmenge benötigen. Dabei ist zu beachten, dass der Test relativ zeitnah erfolgen sollte. Für unsere Forschung haben wir zum Beispiel nur bis zu zwei Stunden altes Blut gemessen. Das ist deswegen der Fall, weil wir Aussagen über die Zellen in ihrem noch lebendigen Zustand treffen möchten. Nach mehreren Tagen Lagerung könnten eventuell Informationen verloren gehen. Der Test soll jedoch hauptsächlich bei schweren Infektionen eingesetzt werden, bei denen die Laborergebnisse im Normalfall so schnell wie möglich vorliegen müssen. Die zeitnahe Testung des Bluts ist also allein durch diese Tatsache schon gewährleistet.

Wie sehen die medizinischen Anwendungsmöglichkeiten aus?

Herold: Wir möchten mit unserer Technologie zum einen etwas über den Schweregrad, und zum anderen über die Art der Infektion herausfinden – also ob sie bakteriellen oder sogar viralen Ursprungs ist. Unsere Hoffnung basiert darauf, dass wir mit Hilfe dieser Methode eine Aussage darüber treffen können, ob bestimmte Immunzellen im Blut sich im Zustand der Aktivierung befinden. Die Zellen verändern sich in ihren mechanischen Eigenschaften – Festigkeit oder Größe –, woran wir den Immunstatus des Patienten ablesen können. Wir könnten zum Beispiel sehen, ob er kurz vor einer Sepsis steht, bei der das Immunsystem auf eine Infektion komplett überreagiert. Auch die Kontrolle von Behandlungsverläufen bei beispielsweise Leukämien zählt zu den möglichen Anwendungen.

Klaue: Bislang handelt es sich noch um ein reines Forschungsgerät. Das Ziel ist aber, von der Grundlagenforschung zur Entwicklung eines Medizinproduktes zu kommen. Unsere Vision ist ein Bluttest, der ein erweitertes Blutbild – wir nennen es auch mechanisches Blutbild – erlaubt. Eine Anwendungsmöglichkeit wäre zum Beispiel der Test, ob ein bestimmtes Antibiotikum die gewünschte Wirkung zeigt und der Arzt seine Therapie anpassen kann, bis der Erreger nachgewiesen ist. Das dauert im Moment teilweise drei Tage, was bedeutet, dass die Patienten in der Zwischenzeit mit Breitbandantibiotika behandelt werden müssen. Die Methode soll also nicht nur zur Diagnostik, sondern auch zur Überwachung genutzt werden.

Welches Entwicklungspotenzial sehen Sie in Ihrer Methode?

Klaue: Wir sind noch Jahre davon entfernt, bis unsere Vision Realität wird und der AcCellerator für den täglichen Gebrauch in ein Krankenhaus gestellt werden kann. Dazu gehören noch viel Forschungsarbeit, klinische Studien, die Erfüllung von Richtlinien für Medizinprodukte und die Auseinandersetzung mit Krankenkassen bezüglich der Kostenerstattung. Der nächste Schritt für uns als Entwickler ist der Einbau eines Sortiermechanismus' in unser Gerät. Damit sollen nach der mechanischen Messung die weichen und steifen Zellen sortiert werden. Falls sich eine Art Zellen beispielsweise besser für Blutzelltransplantationen eignet, ist solch eine Sortierung natürlich eine große Hilfe. Von Seiten der Anwender gibt es sicherlich zahlreiche Möglichkeiten – vielleicht viel mehr als wir uns heute vorstellen können.