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Der Lichtblick ebnet den Weg

Die richtige Diagnose verlangt nach höchster Qualität und reproduzierbaren Ergebnissen. Im Labor hängt die Messlatte deshalb besonders hoch. Innovative Technik treibt die Erkenntnisse bis in den molekularen Bereich der Zellen voran. Neue Chancen für eine erfolgreiche Behandlung.

Die Zell- und Molekulardiagnostik ist ein aufstrebender Markt. Internationale Anbieter wollen sich mehr vom Kuchen holen und verstärken ihr europäisches Engagement mit neuen Produktlinien. Im letzten Jahr ging das US-amerikanische Unternehmen Cepheid mit seiner Genexpert-Produktfamilie für Molekulartestsysteme in Europa an den Start, vor kurzem kündigte BD Diagnostics die europäische Markteinführung des offenen Molekulartestsystems BD Max an. Auch Abbott Diagnostics setzt auf die Automatisierung von molekularen Laboranalysen und integriert die Probenvorbereitung in das Automatisieriengskonzept des hauseigenen „mSystem“.

Zell-basierte Untersuchungen von Tumorerkrankungen aber auch von Infektionen und Substanztestungen aller Art stellen die Laboranalytik vor neue Herausforderungen. Ein wichtiger Bereich sind beispielsweise die Immun- oder Antikörperfärbung um bestimmte Zellmoleküle im Gewebe sichtbar zu machen. Der Färbeautomat Leica Bond-III ist eine Weiterentwicklung von Leica Microsystems, der drei voneinander unabhängige Probeneinsätze für je zehn Objektträger parallel verarbeitet. Das Gerät kann bis zu 36 Reagenzien aufnehmen und Gewebeproben mit unterschiedlichen Detektionsverfahren für die  Immunhistochemie (IHC) und In-situ-Hybridisierung (ISH) parallel verarbeiten. IHC und ISH sind Analysemethoden, die hauptsächlich für die Diagnose von Krebs- und Infektionskrankheiten eingesetzt werden.

Der größte Vorteil des Automatisierungskonzepts mit drei Roboterarmen für das Probenhandling ist die höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit. Nach Firmenangaben ist das Bond-Gerät gegenüber älteren Modellen um die Hälfte schneller ohne dabei die Qualität der Ergebnisse zu mindern. Sowohl der Parallelbetrieb als auch die überarbeitete  Software verkürzt die Dauer der Protokolldurchläufe, was den Durchsatz und damit die Laboreffizienz erhöht. Dank dieser Fortschritte können Labore wichtige Ergebnisse schneller und zu niedrigeren Kosten liefern. Der Färbeautomat ist auf Lean Histology ausgerichtet und ermöglicht Laboren, ihre Durchsätze zu erhöhen ohne zusätzliches Personal einstellen zu müssen. Kürzere Durchlaufzeiten setzen Mitarbeiter für andere Aufgaben frei und ermöglichen zusätzliche Tests innerhalb der gleichen Zeit. Der Leica-Bonder wurde zusammen mit dem Entwicklungspartner Invetech realisiert.

Hellhörig in Sachen Cell-based Assays sind nicht nur Wirkstofffahnder der pharmazeutischen Industrie. Auch die Mikroskopie-Abteilung von Carl Zeiss beschäftigt sich intensiv mit neuen Systemen. Denn gute mikroskopische Aufnahmen bis zur Echtzeitdarstellung lebender Zellen erfordern viel Erfahrung und Know-how der Mikroskopiespezialisten. Um für immer kleinere Dimensionen eine hohe Auflösung des Beobachtungsinstruments zu erreichen, lassen sich die Zeiss-Tüftler einiges einfallen. Beispielsweise durch das Kombinieren von licht- und elektronenmikroskopischer Aufnahmen. Zwar sind beide Verfahren noch nicht in einem Geräte realisiert – hierfür sind die physikalischen Eigenschaften von Licht- und Elektronenstrahlen zu unterschiedlich – aber das Tor zum  systemübergreifenden Mikroskopieren einer Probe ist über eine gemeinsame Schnittstelle für den Proben- und Bildtransfer bereits von Zeiss-Entwicklern aufgestoßen.

Der Grenzwert für die Auflösung von Licht- und Laser Scanning Mikroskopen liegt bei 200 Nanometern. Damit lässt sich das Eindringen größerer, mit Fluoreszenzfarbstoff markierter Viren in eine Wirtszelle beobachten. Interessiert sich ein Molekularmediziner für die Andockstationen der Viren an der Oberfläche der Zelle liefern nur noch Elektronenmikroskope mit höherer Auflösung Bilder vom Geschehen. Der Fachmann erkennt am Monitor anhand der Fluoreszenzsignale und durch Überlagern beider Bildinformationen, ob und an welcher Stelle ein Virus an einer Zelle andockt oder inwieweit es bereits eingewandert ist.

Die physikalischen Grenzen der Lichtmikroskkopie schiebt eine Neuentwicklung der Carl Zeiss MicroImaging hinaus. Das am Referenz- und Translationszentrum für kardiale Stammzelltherapie (RTC) der Universität Rostock installierte Mikroskopsystem ELYRA PS.1 kann Zellprozesse auf Molekülebene an lebenden Zellen beobachten und dokumentieren. Bisher war es nur mit Elektronenmikroskopen möglich, Strukturen im Bereich von bis zu zehn Nanometer sichtbar zu machen, lebende Zellen werden dabei jedoch zerstört.

Das als Seriengerät konzipierte Mikroskop ist das Flaggschiff unter den neuen superauflösenden Lichtmikroskopen und ist auf molekulardiagnostische Untersuchungen und auf den Einsatz von gentechnischen Methoden und Nanotechnologie an Stammzellen ausgerichtet. Der besondere Dreh an dieser Technologie-Plattform ist die Integration zweier unterschiedlicher Verfahren: Die so genannte Superresolution Structured Illumination Microscopy (SR-SIM) und die Photoaktivierte Lokalisations Mikroskopie (PALM), die in der Fluoreszenzmikroskopie bisher nicht erreichbare Auflösungen gestatten.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Mit der strukturierten Beleuchtung erreicht man nicht nur eine räumliche Abbildung von kleinsten Strukturen sondern doppelt so hohe Auflösungen wie bei herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopen. wobei alle üblichen Fluoreszenzfarbstoffe verwendet werden können. Bei PALM (Photoactivated Localization Microscopy) sind mittels schaltbarer fluoreszierender Proteine Lokalisationsgenauigkeiten von bis zu 20 Nanometern und darunter möglich. 

Mit welchen Überraschungen die Molekulardiagnostik in Zukunft aufwarten wird, zeigt sich am Beispiel der Erbgutanalyse und der Next Generationn Sequencer. Ursprünglich auf den engen Bereich der DNA-Analyse beschränkt, stoßen ultraschnelle Sequencer in andere Anwendungsfelder vor. Das hohe Entwicklungstempo und der technische Fortschritt beflügeln die Krebsforschung ebenso wie die Immunologen. Die Suche nach genetischen Mutationen bei Krebserkrankung deckt heute schon unbekannte Krankheitsherde auf beispielsweise bei Leukämie. Mediziner entdecken anhand von individuellen Markern erkrankte Zellen und können daraus entsprechende therapeutische Maßnahmen ableiten. 
Andreas Beuthner