Forscher dringen tiefer in die Nanowelten von Zellen, Proteinen und Erbanlagen ein als je zuvor. Dafür werden Geräte und Technologien entwickelt, die immer schnellere, zuverlässige und erschwinglichere Diagnosen ermöglichen sollen.
Moleküle fangen: Michael Pugia identifiziert krankheitsspezifische Proteine mit Hilfe von Fängermolekülen und einem Mikrochip. Andere Forscher wollen Tumorzellen direkt aus dem Blutstrom fischen.
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Wie viele Informationen lassen sich aus einem Bluts- oder Wassertropfen, einem Kubikzentimeter Luft oder aus wenigen Bilddaten herausholen? Von Tag zu Tag werden es mehr: Überall destillieren Wissenschaftler immer mehr Daten aus immer kleineren Welten – angefangen bei Nanodrähten, mit deren Hilfe sich Informationen aus einzelnen Zellen ziehen lassen (siehe Artikel „Nanoelektronik mit Nervenzellen verbinden“), über spektroskopische Analysen der molekularen Bestandteile von Fabrikabgasen (siehe Artikel „Verräterische Infrarot-Strahlen“) und Satellitenbilder, die die Verteilung von Methan oder Kohlendioxid in der Atmosphäre zeigen (siehe Artikel „Die Erde unter der Lupe“), bis hin zu Programmen, die die genetischen Signaturen von neuen Viren in Rekordzeit ermitteln (siehe Artikel „Die Viren-Detektive“) und Mikrochips, die automatisch Antibiotika, Hormone und Bakterien in einem Tropfen Flusswasser erkennen können (siehe Artikel „Alarm in der Trinkwasserleitung“).
Für Siemens liegt eines der größten Potenziale dieses Trends bei Technologien, mit deren Hilfe sich medizinisch relevante Daten aus dem Erbgut oder den Proteinen von Zellen gewinnen lassen. Möglich wird dies beispielsweise mit Biomarkern wie Troponin. Das ist ein Protein, das von Herzmuskelzellen als Reaktion auf Schädigungen – etwa aufgrund eines Infarkts – freigesetzt wird.
„Um festzustellen, ob ein Herzanfall vorliegt, brauchen wir schnelle, automatisierte und kostengünstige Tests, die dem behandelnden Arzt vor Ort zuverlässige Informationen liefern“, erklärt Dr. Walter Gumbrecht, Experte bei Siemens Corporate Technology (CT) für „Labor auf-dem-Chip“- Technologien.
Zu diesem Zweck hat sich Gumbrecht mit Dr. Michael Pugia, einem der zwölf „Erfinder des Jahres 2009“ von Siemens und Experte für mikrodiagnostische Systeme, zusammengetan. Pugia arbeitet für Siemens Healthcare Diagnostics in Elkhart im US-Bundesstaat Indiana – 203 Erfindungen und 140 Patente gehen bereits auf sein Konto. Gumbrecht und er haben ein neues Verfahren entwickelt: die „elektrochemische Kamera“. Sie kann eine erstaunliche Menge an Informationen aus jeder Flüssigkeit gewinnen, für deren Analyse sie programmiert wurde.
Das Gerät kombiniert eine sehr gute Auflösung auf Basis von CMOS-Sensoren (deshalb „Kamera“) mit einer revolutionären papierähnlichen Substanz. Sie ist mit so genannten Fängermolekülen getränkt, die auf bestimmte Stoffe reagieren. Diese Kombination ist ungemein wirtschaftlich, da nicht der Chip selbst der Flüssigkeit ausgesetzt wird, sondern nur das Papier. Ein winziger Einwegstreifen des Papiers mit verschiedenen Fängermolekülen wird auf einen wiederverwendbaren Chip gegeben und zusammen mit ihm in einem Lesegerät platziert. Dann werden ein Tropfen Blut, Urin oder eine andere Flüssigkeit auf das Papier gegeben. Zusätzlich werden verschiedene Reagenzien aufgespritzt, die als Katalysatoren für die Reaktion mit den gesuchten Substanzen dienen.
Vermutet ein Arzt einen Herzinfarkt bei seinem Patienten, würde dessen Blutstropfen im Lesegerät Reagenzien ausgesetzt, die wiederum die Troponin-Fängermoleküle auf dem Papier aktivieren. „Wenn sich die Fängermoleküle an die Zielsubstanzen binden, geben sie Elektronen an die Sensoren des Mikrochips unter dem Papier ab“, erläutert Pugia. „Das Gerät stellt dann innerhalb von Sekunden den Troponin-Wert des Blutes fest.“
Labordiagnose beim Hausarzt. Es wird zwar noch einige Jahre dauern, bis die elektrochemische Kameratechnik auf den Markt kommt, doch dann könnte sie die Diagnostik revolutionieren. „Da sie extrem schnelle und zuverlässige Verfahren verwendet, könnten Tests auf Schlaganfälle oder Herzinfarkte direkt in der Arztpraxis oder Notaufnahme durchgeführt werden“, sagt Gumbrecht. „Auch könnten Patienten vor der Aufnahme in einer Klinik auf Methicillin-resistente Staphylococcus aureus getestet werden.“ Diese Bakterien sind eine wichtige Ursache für Infektionen und Todesfälle in Krankenhäusern.
Zudem könnte die Technologie eine genauer abgestimmte Behandlung von chronischen Krankheiten wie Diabetes ermöglichen. Schnelltests für Diabetes-Biomarker im Blut – bei Siemens gerade in der Entwicklungsphase – könnten so Millionen von Kontrolluntersuchungen und die damit verbundenen Kosten einsparen helfen. Und mehr noch: Pugia und sein Team haben einen neuen Biomarker für ein Genfragment entdeckt, das die Insulinproduktion des Körpers steuert. „Regelmäßige Tests dieser Biomarkerwerte könnten neue Behandlungsmethoden ermöglichen oder Diabetes sogar verhindern“, erklärt Pugia.
Ähnliche Vorteile könnte die neue Technologie bei PSA-Tests (Prostata-spezifisches Antigen) bringen, die jedes Jahr bei Millionen Männern auf der ganzen Welt angewendet werden. „Ich bin überzeugt, dass PSA-Tests mit einer elektrochemischen Kamera zu einer echten Konkurrenz für Tests in Zentrallaboren werden können“, erklärt Hanjoon Ryu von Siemens Healthcare Diagnostics in Deerfield, Illinois, und meint, dass das Verfahren dank der Wiederverwendbarkeit des Chips sogar kostengünstig genug sein könnte, um die Landbevölkerung in der Dritten Welt zu versorgen.
Eine Technologie, die es ermöglicht, dass in einer Arztpraxis erschwingliche Molekulartests durchgeführt werden können – egal ob in Manhattan oder einem Dorf in Mozambique – bietet enorme Vorteile für Patienten und das Gesundheitswesen. „Erstmals können Patienten direkt von ihrem Arzt Antworten auf viele wesentliche diagnostische Fragen erhalten“, so Ryu. „Und es würde der riesige Druck auf die Krankenhäuser gemildert, die heute von Patienten regelrecht belagert werden.“ Einmal gestartet, wird diese Entwicklung schnell Tempo aufnehmen. Schon heute kann die elektrochemische Kameratechnik fast 100 krankheitsspezifische Proteine erkennen – viele davon in weniger als einer Minute. „In den nächsten Jahren“, sagt Pugia, „wird die Zahl solcher Proteine immer weiter zunehmen. Wir können dann gemeinsam mit Partnern ein breites Spektrum an Fängermolekülen entwickeln, die diese Proteine erkennen und quantifizieren.“