AutoRAPID: Physikalische Eigenschaften von Zellen messen

An dem Projekt „AutoRAPID“ arbeiten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) Erlangen und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Mannheim standortübergreifend zusammen. Forscher/-innen der Abteilung Biologische Optomechanik des MPLs unter der Leitung von Prof. Jochen Guck haben eine biophysikalische Messmethode entwickelt, die sie in die Lage versetzt, die individuelle mechanische Charakterisierung einer großen Anzahl von Zellen mit einer Messgeschwindigkeit von 100 bis 1.000 Zellen pro Sekunde vorzunehmen. So können sie beispielsweise nachweisen, dass sich biomechanische Eigenschaften von krankhaft veränderten Zellen signifikant von gesunden Zellen unterscheiden. Das zugrunde liegende eigens entwickelte Messverfahren ist das sogenannte „Rapid physical phenotyping in deformational flow“ („Schnelle physikalische Phänotypisierung im Deformationsfluss“). Es geht dabei um maximale Beschleunigung der Messgeschwindigkeit.

Ziel: vollautomatisches validiertes Analysesystem

Das Bestreben des AutoRAPID-Projekts ist die mikrofluidische Messmethode in ein vollautomatisches validiertes Analysesystem zu überführen. Hierbei fließen Zellen durch ein Kanalsystem, das nur wenige zehn Mikrometer breit ist, um die Verformbarkeit der Zellen zu testen. Die Forscher zielen langfristig darauf ab, die Auswirkungen von variablen Parametern z. B. von Medikamenten auf die physikalischen Eigenschaften von Zellen zu messen und diese Erkenntnis für therapeutische Ansätze nutzbar zu machen. Jetzt wurde der integrierte Aufbau erstmals in Erlangen aufgestellt und das Zusammenspiel der Prozessautomatisierung von der Probennahme bis zu den optischen Analysemethoden überprüft.

Fluidischer Mikrochip mit optischen Messmethoden kombiniert

Die einzelnen Baukomponenten des AutoRAPID-Projekts wurden in einer gemeinsamen Probestellung von den beiden Forschungsgruppen erfolgreich zu einem System zusammengefügt und einem Funktionstest unterzogen. Die messmethodische Expertise aus der Biophysik liefert dabei das Forscherteam von Prof. Jochen Guck, Direktor am MPL. Im konkreten Aufbau wird der eigens entwickelte fluidische Mikrochip mit optischen Messmethoden kombiniert. Die Wissenschaftler können die physikalischen Eigenschaften der Zellen durch ein ausgeklügeltes Flusssystem analysieren und für verschiedenste Messungen entsprechend fokussieren.

96 Proben an einem Tag

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IPA unter Leitung von Dr.-Ing. Jens Langejürgen, Abteilungsleiter Klinische Gesundheitstechnologien und Standortleiter in Mannheim, steuern ihre Kompetenz in der Prozessautomatisierung bei. Während die herkömmliche manuelle Messung einer Probe eine aufwendige Vorbereitungszeit von bis zu 30 Minuten pro Probe in Anspruch nimmt, können in dem neuen automatisierten Prozess von AutoRAPID bis zu 96 Proben an einem Tag analysiert werden. Von der Probennahme und Befüllung des Mikrochips durch einen Pipettierroboter bis hin zur Ansteuerung des Dreipumpensystems und der Probenanalyse selbst sind alle Prozessschritte vollautomatisch programmierbar. Einen weiteren Vorteil stellt das neu entwickelte integriere Reinigungsverfahren von Auto-RAPID dar: Der bisherige Einweg-Chip wird durch ein fest verbautes Mehrweg-Messmodul ersetzt.

Validiertes Messgerät Ende 2024?

Das auf vier Laufzeitjahre ausgelegte AutoRAPID-Projekt befindet sich nunmehr im dritten (Forschungs-)Jahr und geht damit in die entscheidende letzte Projektphase über. Ende 2024 möchten die Wissenschaftler ein validiertes Messgerät demonstrieren, welches Tausende von Messungen automatisch durchführt. Guck äußert sich zuversichtlich: „Es ist großartig zu sehen, wie ein lang geplantes Ziel endlich greifbar wird. Bald können wir Messreihen durchführen, die vor Kurzem noch völlig undenkbar waren“. Im nächsten Schritt wird das automatische Analyseverfahren in der Praxis erprobt und im täglichen Einsatz auf Herz und Nieren getestet. Jens Langejürgen freut sich: „Durch die hervorragende Zusammenarbeit in diesem Projekt konnten wir schnell einen ausreichend automatisierten Messaufbau für die extensive praktische Testphase in Erlangen einrichten. Gleichzeitig haben wir in Mannheim eine identische Kopie des Systems, die es uns ermöglicht, parallel weitere Optimierungsschritte durchzuführen. Im gemeinsamen interdisziplinären Projektteam profitieren wir von den ganz unterschiedlichen Erfahrungen und Herangehensweisen.“

Quelle: idw/Fraunhofer IPA/MPI für die Physik des Lichts