Thema:

Fachbeitrag

Screening lebender Zellen und Gewebe in Echtzeit

Zellbasierte Untersuchungen sind eine elementare Methode der biomedizinischen Forschung, der pharmazeutischen Substanzsuche, des toxikologischen Screenings sowie eine Alternative zu Tierversuchen. Das Einsparen von Personalkosten und die Minimierung von Fehlern erfordern dabei einen hohen Automatisierungsgrad bei der Kultur, der Behandlung und der Untersuchung von Zellkulturen. Zudem ist das parallele und lückenlose Aufzeichnen möglichst vieler verschiedener Parameter aus einem einzigen Experiment ein wirkungsvolles Hilfsmittel bei der Betrachtung komplexer zellulärer Vorgänge. Basierend auf diesen Anforderungen wurde mit dem Intelligent Microplate Reader eine automatisierte Analyseplattform realisiert, die erstmals bildgebende Verfahren mit multi-sensorischen Mikrotiterplatten kombiniert.

Testverfahren auf Basis von Zellkulturen sind heute unverzichtbar für den Laboralltag in der Toxikologie, Pharmazie und biomedizinischen Forschung. Gleichwohl erfordert ihre Durchführung einen hohen zeitlichen und handwerklichen Aufwand. Zunehmende Automatisierung und kontinuierliche Aufzeichnung relevanter Zellparameter sollen dem Anwender helfen, mit geringem Zeit- und Arbeitsaufwand eine große Menge belastbarer Daten zu erfassen. Betrachtet man die Entwicklung der vergangenen Jahre, geht der Trend in den Bereichen Sensorik und Datenerfassung zunehmend in Richtung markierungsfreie Verfahren, da diese bei der Messung keinen Einfluss auf die Zellkulturen ausüben. Der Intelligent Microplate Reader begegnet diesen Anforderungen durch die erstmalige Kombination von bildgebenden Verfahren mit multi-sensorischen Mikrotiterplatten in einer automatisierten Analyseplattform.

Das Gerät vereint eine Reihe von unterschiedlichen Messtechnologien, welche in der Vergangenheit als alleinige Beurteilungsparameter verschiedener, auf dem Markt erhältlicher Systeme Anwendung fanden. Zur Erfassung morphologischer und proliferativer Veränderungen von Zellen werden die Messung der Bio-Impedanz und automatisierte bildgebende Verfahren genutzt. Einflüsse auf den zellulären Metabolismus, welche sich durch Veränderungen im Sauerstoffverbrauch und in der Abgabe von Stoffwechselprodukten zeigen, werden durch fluoreszenzbasierte Sensoren (Optroden) kontinuierlich überwacht. Dadurch lassen sich komplexe zelluläre Abläufe aus mehreren Perspektiven betrachten und dynamische Prozesse mit ihrer Kinetik abbilden und analysieren. Im Vergleich zu klassischen Endpunkttests kann somit – zusätzlich zur Wirksamkeit – auch deren zeitlicher Verlauf erfasst und analysiert werden.

Modular aufgebaut verfügt der Intelligent Microplate Reader in seiner höchsten Ausbaustufe über mehrere sensorische und aktorische Komponenten. Eine 24-Kanal-Pipettierrobotik versorgt beziehungsweise behandelt die Zellen mit den entsprechenden Medien und Testsubstanzen. Ein automatisiertes Inversmikroskop in Kombination mit einem optischen Detektor dient zum Auslesen der Optroden sowie zur zyklischen Aufzeichnung von frei wählbaren Bildausschnitten mit bis zu vier verschiedenen Objektiven. Die Integration des Systems in einen Klima­schrank garantiert gleichbleibende Umgebungsbedingungen.

Sensorische Mikrotiterplatte

Herzstück der Analyseplattform ist eine spezielle Mikrotiterplatte mit integrierter Sensorik und Mikrofluidik. Sie stellt im modifizierten 24-Well-Design sowohl die Mikroreaktionskammern, in denen die Zellen kultiviert und untersucht werden, als auch die Ports für den Zugang der Medienrobotik bereit.

Applikation Krebsforschung

Ein Beispiel für die mit der Plattform gewonnenen Daten zeigt die nebenstehende Abbildung. Dabei wurden die Zellen einer Brustkrebs-Zelllinie durchgehend mit dem zytostatischen Wirkstoff Doxorubicin behandelt und kontinuierlich überwacht. Dies ist ein experimenteller Ansatz, der in der Krebsforschung oder bei der Klassifizierung toxischer Substanzen in vergleichbarer Form zur Anwendung kommt. Die verschiedenen zellphysiologischen Parameter der auf den Wirkstoff sensitiv reagierenden Zellen fallen gegenüber denen der unbehandelten Kon­trollzellen deutlich ab. Der kinetische Verlauf des Prozesses ist eindeutig nachvollziehbar. Dabei lassen die Mikroskopaufnahmen auffallende Veränderungen der Zellmorphologie erkennen, wodurch die Ergebnisse der metabolischen Sensoren sinnvoll ergänzt werden. Die Übertragung eines solchen Forschungsansatzes hin zur klinischen Testung von Patiententumorproben auf ihre Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Zytostatika im Vorfeld einer Therapie (In-vitro-Chemotherapie) ist dabei naheliegend. Wissenschaftler am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik (Prof. Dr. Bernhard Wolf) der Technischen Universität München konnten dies mit Hilfe der Analyseplattform bereits erfolgreich zeigen. Die HP Medizintechnik GmbH vertreibt den Intelligent Microplate Reader und bietet zusätzlich eine individuell auf die Kundenwünsche angepasste Auftragsforschung auf der Analyseplattform an (Information: info[at]hp-med.com).

Kontaktadresse:
HP Medizintechnik GmbH
Bruckmannring 19
D-85764 Oberschleißheim

www.hp-med.com

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4/2014

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