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Zellen unter Strom

Auszeichnungen. - Am Donnerstag wird Bundespräsident Horst Köhler in Berlin den 11. Deutschen Zukunftspreis verleihen. Forschung aktuell stellt Ihnen bis dahin die vier nominierten Teams und ihre Projekte jeweils täglich vor. Heute: Forscher aus München und Freiburg und ihr Verfahren zu Erprobung von Medikamenten an Zellen.

Von Hellmuth Nordwig | 03.12.2007
    Am Donnerstag wird Niels Fertig vielleicht dem Bundespräsidenten beschreiben müssen, was er mit seinen Kollegen eigentlich entwickelt hat. Kurz und bündig könnte er dem Staatsoberhaupt zum Beispiel erklären:

    "Unser Verfahren wird eingesetzt in der Medikamentenentwicklung. Es beschleunigt das Testen von potenziellen Wirkstoffen. Damit können Medikamente schneller entwickelt werden und auch auf Nebenwirkungen getestet werden. Das heißt, die Medikamente werden auch sicherer mit unserem Verfahren."

    Wir, das ist die Firma Nanion Technologies aus München und Jan Behrends, Professor an der Universität Freiburg. Ihr Verfahren setzt ganz zu Beginn der Entwicklung eines Medikaments an. Nämlich bei Tests in der Zellkultur, die zeigen sollen, ob Chemikalien überhaupt einen Einfluss auf die Eigenschaften von Zellen haben.

    "Wir messen die Ströme über die Zellmembran. In jeder Zellmembran sind viele Poren, über die elektrischer Strom fließen kann, wodurch die Zellen kommunizieren, Signale übertragen können. Diese Poren sind wichtig für eine Vielzahl von Funktionen der Zelle. Wenn es Fehlfunktionen gibt, entstehen Krankheitsbilder..."

    ... wie zum Beispiel Herzrhythmusstörungen, Nervenleiden oder Schmerzen. All diese Krankheiten hängen davon ab, wie gut der elektrische Strom durch die Zellmembran fließen kann. Und deshalb lassen sie sich mit Medikamenten behandeln, die auf den Stromfluss einwirken.

    "Die typische Messung in der pharmakologischen Untersuchung von einem neuen Wirkstoff ist die Strommessung ohne die Applikation einer Substanz. Und dann wird der Wirkstoff zugegeben, um zu sehen: Wie wirkt diese Substanz? Ändert sie den Stromfluss durch die Poren? Und in welcher Konzentration muss ich die Substanz zuführen, um eine gewünschte Reaktion hervorzurufen?"

    Solche Messungen sind im Prinzip nicht neu. Bereits 1991 erhielten die Göttinger Forscher Erwin Neher und Bert Sakmann für dieses Verfahren, die so genannte Patch-Clamp-Technik, den Medizin-Nobelpreis.

    "Der Hauptnachteil des Patch-Clamp-Verfahrens im Einsatz bei der Medikamentenentwicklung ist der hohe Aufwand. Man braucht ein sehr aufwändiges Gerät für die Messungen und einen erfahrenen Experimentator, der fingerfertig ist, Erfahrung hat und diese Messungen durchführen kann. Das Ganze kostet sehr viel Geld und dauert leider sehr lange. Und unser Verfahren ermöglicht, genau den Durchsatz zu erreichen, den man typischerweise in der Pharmaindustrie haben möchte."

    Darin besteht also die Innovation: Vor einer Messung musste früher ein geübter Fachmann eine einzelne Zelle unter dem Mikroskop mit einer Pipette in die richtige Position bringen. Heute geht das automatisch, die Zelle wird einfach mit Unterdruck an ein winziges Loch in einem Glasplättchen gesaugt. Dieser so genannte Chip steckt zusammen mit der Messelektronik in einem silbernen Kästchen, das kaum größer ist als eine Zigarettenschachtel.

    "So sieht das Messsystem aus: Da hat man einen kleinen Halter, wo die Chips aufgeschraubt werden können. Das geht von Hand und sehr einfach, innerhalb weniger Sekunden habe ich den Chip im System integriert, kann dann Zellen zugeben. Dann muss ich die Software starten und der Rest läuft automatisch. Das Zugeben von Wirkstoffen kann ich einerseits von Hand machen, andererseits haben wir auch da automatisierte Lösungen entwickelt. Und das eigentliche "Herstellen" einer messbaren Zelle ist tatsächlich innerhalb einer Minute möglich."

    Die Messung selbst dauert dann zwischen fünf und zwanzig Minuten. Und ein Roboter kann 16 Tests parallel durchführen. So lassen sich innerhalb eines Tages Tausende potenzieller Wirkstoffe daraufhin prüfen, ob sie als Herzmedikament oder zur Schmerzlinderung in Frage kommen könnten. Dieser Zeitvorteil ist immer mehr Unternehmen rund 200.000 Euro wert. Soviel kostet ein Robotersystem, das vollautomatisch den Stromfluss durch Zellmembranen misst.