Entwicklung neuer therapeutischer Anwendungen mit Hilfe von Mikrofluidik

Mein Name ist Mamed Toner. Ursprünglich habe ich eine Ausbildung im Maschinenbau absolviert und anschließend im Bereich Biomedizinische Technik und Wissenschaften. Ich bin Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Massachusetts General Hospital, an der Harvard Medical School sowie an der Abteilung für Gesundheitswissenschaften und Technologie von Harvard und dem MIT, wo ich verschiedene Anwendungen der biomedizinischen Technik in der Medizin erforsche. Dazu gehören beispielsweise die Identifizierung seltener Zellen im Blut, die sich sehr schnell in ihrer Physiologie verändern, sodass man deren physiologisches Verhalten im Krankheitszustand – etwa bei Entzündungen oder bei Verbrennungs- und Verletzungspatienten – verstehen kann.

Und versuchen, die Antwort des angeborenen Immunsystems zu verstehen, sowie untersuchen, wie Blutzellen die Entzündungsreaktion in solchen Fällen regulieren, und deren Genomik und Proteomik betrachten. In solchen Beispielen möchte man diese Zellen finden, ohne ihre Physiologie und Expressionsniveaus sowie dergleichen zu verändern. Man untersucht also die natürliche Physiologie des zugrundeliegenden Problems und nicht einen Artefakt, der durch das Handling der Zellen entsteht.

Weitere Anwendungen werden Geräte am Versorgungsort sein, wie beispielsweise Chips für die globale Gesundheit, die Zielzellen messen können, um den Beginn einer Therapie zu bestimmen, etwa das Niveau der CD4-positiven Lymphozyten. Daher arbeiten wir an der Entwicklung von Chips, die CD4-positive Zellen mithilfe einer mikrofluidischen Mikrochip-Technologie erfassen und zählen können. Komplexere Anwendungen liegen in dem, was wir als Nachweis seltener Zellen bezeichnen. In der Medizin, insbesondere in der klinischen Medizin, befassen wir uns gewöhnlich mit häufig vorkommenden Zellen und versuchen, die Physiologie einer Person anhand dieser Zellen zu verstehen.

Doch in der Realität werden viele der physiologischen oder pathophysiologischen Prozesse durch weitaus seltenere Zelltypen gesteuert, wie beispielsweise dendritische Zellen, Stammzellen und regulatorische Zellen, oder im Fall von Krebs durch zirkulierende Tumorzellen. Daher besteht ein Interesse daran, seltene Zellen zu finden, die tatsächlich die Reaktion auf verschiedene Therapien bestimmen und zudem als diagnostische Marker dienen könnten. Es handelt sich somit um einen sehr weiten Anwendungsbereich der Mikrofluidik, bei dem Zellen auf Chips bewegt und für zahlreiche diagnostische und therapeutische Anwendungen eingesetzt werden.

Frühe Arbeiten in der Mikrofluidik konzentrierten sich hauptsächlich darauf, unter Nutzung der Werkzeuge der Mikrosystemtechnologien, die für integrierte Schaltungen entwickelt wurden, miniaturisierte Systeme für Lab-on-a-Chip-Konzepte zu realisieren, bei denen man beispielsweise mikrofluidische Durchflusszytometrie, mikroelektrophoretische Systeme oder mikrofluidische Chromatographiesysteme entwickelte. Aus diesen Miniaturisierungsstudien haben wir viel darüber gelernt, wie biologische Systeme erfolgreich mit Mikrosystemen kombiniert werden können. Was dem Forschungsfeld bisher jedoch fehlt, sind bedeutende Anwendungen, also erfolgreiche Anwendungen mit großem klinischem Einfluss, sogenannte „Blockbuster“, für diese Technologien.

Unsere Labore, insbesondere aufgrund unserer Zugehörigkeit zu einem großen Forschungskrankenhaus, konzentrieren sich darauf, sinnvolle und bahnbrechende Anwendungen dieser Technologien zu erforschen und Bereiche zu identifizieren, in denen wir Probleme lösen können, die auf andere Weise nicht lösbar wären. Ein Beispiel hierfür ist AIDS im Kontext einer globalen Gesundheitsanwendung: ein sehr kostengünstiger Chip, der verwendet werden kann, um positive Lymphozyten aus Vollblut, gewonnen aus einem Fingerstich, nachzuweisen, und der über Point-of-Care-Funktionen verfügt. Diese Technologie würde im Erfolgsfall von Millionen von Menschen genutzt werden.

Die Herstellung dieser Systeme, deren Hochskalierung und Anwendung in Bereichen mit hoher Wirkung, auf die wir unsere Aufmerksamkeit genauso wie viele andere im Fachgebiet kürzlich gerichtet haben. Doch genau hier sehe ich die zukünftigen wesentlichen Fortschritte des Feldes: darin, sinnvolle Anwendungen dieser Technologien in der klinischen Medizin und den biologischen Wissenschaften zu finden. Dieselben Werkzeuge werden zudem auf sehr clevere Weise erforscht, um grundlegende biologische Prozesse zu untersuchen, beispielsweise Zell-Zell-Interaktionen, die Reaktion von Zellen auf Umweltreize sowie die präzise Steuerung des Mikroumfelds von Zellen und Geweben, was dann genutzt werden kann, um die grundlegenden Prozesse zu verstehen, die die biologische Antwort regulieren. Die Anwendungen reichen bis hin zu Konzepten lebender Salinen-artiger Systeme, an denen wir arbeiten, bei denen Zellen – oder Zellklone – markiert werden, die Bericht über verschiedene Gene erstatten, die in ein sehr komplexes mikrofluidisches Netzwerk eingebracht werden und in einem einzigen Experiment Tausenden unterschiedlicher Bedingungen ausgesetzt werden können.

Und Sie können die Echtzeit-Genexpression dieser Zellen überwachen, die mit Spez markiert sind, wobei verschiedene Klone mit unterschiedlichen Genen markiert sind. Ein kritisches Problem, das meiner Ansicht nach eines der größten Probleme in diesem Bereich ist, betrifft die Frage, wie man diese grundlegenden wissenschaftlichen Erkenntnisse oder sogenannten innovativen Technologien in neue Therapien oder sinnvolle biologische Anwendungen umsetzen kann; es handelt sich hierbei um ein stark interdisziplinäres Feld.

Sie benötigen Ingenieure, Physiker, Biologen, Neurobiologen – je nach Anwendungsgebiet. Die Überbrückung der Disziplinen ist meiner Ansicht nach eine der größten Herausforderungen gewesen. Die meisten frühen Entdeckungen wurden von Ingenieuren und Physikern ohne fundierte Ausbildung oder Verständnis für biologische Probleme durchgeführt.

Doch in jüngerer Zeit stellen auch Biologen fest, dass diese Werkzeuge eine sehr aufregende Differenz zwischen den verschiedenen Disziplinen in den letzten Jahren deutlich verringert haben, da das Interesse sowohl auf biologischer Seite als auch bei multidisziplinären Forschungsgruppen wie unserer wächst, diese Anwendungen in der klinischen Medizin und Biologie zu erforschen. Für mich ist dieser multidisziplinäre Aspekt eine der zentralen Herausforderungen, die die Übertragung dieser Ideen beeinflusst. Die andere ist die Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie.

Viele dieser Ideen entstehen an Hochschulen, doch sie sind sehr komplex und beinhalten Zellen, komplexe biologische Prozesse sowie zudem komplexe ingenieurtechnische, produktions- und verpackungsbezogene Fragen. Die Übertragung dieser Technologien in die kommerzielle Anwendung erfordert daher enorme Aufmerksamkeit. Ein Teil dieser Aufgabe lastet auf der Industrie.

Wie man bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse in der Industrie umsetzt, ist kein einfacher Prozess, insbesondere wenn klinische Studien und biologische Proben beteiligt sind. Vor diesem Hintergrund könnten die interdisziplinäre Natur des Forschungsfeldes und die Übertragung von Erkenntnissen aus der Wissenschaft in die Industrie die beiden größten Hürden darstellen, denen wir uns in den kommenden Jahren stellen müssen. Doch es gibt zahlreiche Gruppen, die an diesen Herausforderungen arbeiten, und ich sehe eine durchaus vielversprechende Zukunft für die Anwendung dessen, was ich als „kleine Technologien“ bezeichne – Mikro- und Nanotechnologien in der Medizin und Biologie.