Die Start-Up-Firma Zellkraftwerk durchleuchtet Zellproben auf ungewöhnliche Weise.
(28. März 2013) Es ist ein bisschen wie im Film Men in Black: Ein Druck aufs Knöpfchen, ein greller Lichtblitz – und schlagartig ist all das verschwunden, was eben noch klar, hell und bunt zu sehen war. Doch im Gegensatz zum Alien-Abenteuer aus den Hollywood-Laboren bedeutet das „Blitzdingsen“ hier nicht ewiges Vergessen. Im Gegenteil, alles ist sicher gespeichert und bereit für Wiederaufruf und Auswertung.
Doch beginnen wir von vorne. Der Anfang unserer Geschichte liegt im Jahr 2004, an der Klinik für Pädiatrische Pneumologie, Allergologie und Neonatologie an der Medizinischen Hochschule Hannover. Dort wollte Christian Hennig Patientenproben mittels Fluoreszenz-Mikroskopie analysieren. Möglichst umfassend sollte dies geschehen. Doch wie, angesichts der bekannten Beschränkungen dieser Technologie? Fluoreszenz-Mikroskopie hat den Nachteil, dass die Zahl der Marker pro Zellprobe limitiert ist. Normalerweise vier, höchstens fünf kann man gleichzeitig nachweisen. Hennig aber wollte mehr als das. Er wollte zwanzig, dreißig und mehr Signale detektieren. Gleichzeitig, in der gleichen Probe. Unmöglich? Hennig, damals wissenschaftlicher Mitarbeiter der Humanmedizinerin Gesine Hansen, war anderer Ansicht.
Zellbestandteile werden in der Mikroskopie durch Antikörper nachgewiesen, die gegen die interessierenden Strukturen oder Rezeptoren spezifisch sind. Um diese Antikörper während der Analyse sichtbar zu machen, sind sie entweder direkt mit einem fluoreszierenden Molekül markiert oder man weist sie indirekt durch einen Fluoreszenz-markierten zweiten Antikörper nach.
Fluoreszenz: Flüchtiges Phänomen
Die Zahl der verfügbaren Wellenlängenfilter und der für Mikroskopie geeigneten Fluorophore ist überschaubar. Durch die technologiebedingt starke Lichteinstrahlung müssen diese Fluorophore sehr stabil sein, da Fluoreszenz ein flüchtiges Lichtereignis ist und bei andauerndem Lichteinfall nach kurzer Zeit rapide abnimmt – mit dem Effekt, dass gerade noch so erkennbare Strukturen rasch in Dunkelheit verschwinden.
Genau diesen Effekt hat Christian Hennig sich zunutze gemacht. Seine Idee ist so simpel, dass man, wenn man sie hört, sich vor den Kopf schlägt und sagt: Warum bin ich da nicht selber drauf gekommen? Wie es nun mal so ist mit wirklich guten Ideen.
Hennig versetzte also seine Proben, zusammengesetzt aus unterschiedlichen Zelltypen, mit fluoreszierenden Antikörpern gegen eine bestimmte Struktur, erfasste die Fluoreszenz mit einer Kamera, speicherte das Bild und ließ die Fluoreszenz ausbleichen. Dann belud er die gleiche Probe mit einem weiteren Antikörper gegen eine andere Struktur, und so weiter. Auf diese Weise konnte er 20, 30 oder 40 Marker in der gleichen Zellprobe messen.
So simpel diese Idee klingt – knifflig ist es, die Voraussetzungen für derartige Reihenanalysen zu schaffen. Erstens dürfen die Zellen zwischen Objektträger und Deckglas bei der wiederholten Zugabe neuer Antikörper nicht verrutschen, und zweitens muss der Objektträger immer wieder exakt an der gleichen Stelle unter dem Objektiv liegen. Nur auf diese Weise entsteht ein Bild, bei dem die Zellen auf den Fotos deckungsgleich an Ort und Stelle liegen und sich nur die Lokalisation der Fluoreszenz ändert. Wie ein zelluläres Daumenkino, bei dem sich beim Umblättern nicht eine Seite, pardon!, Zelle bewegen darf.
Objektträger mit Zuleitung
Also tüftelte Hennig drauf los. Problem Nummer zwei war ohnehin bereits gelöst: Hennig, der ja eigentlich Mediziner ist, hatte schon im Jahr 2000 mit Freunden eine Firma gegründet, die mit einer neuartigen Genom-Sequenzierungsmethode den Biotech-Markt aufmischen wollte. Und schon damals war er vor einem ähnlichen Problem gestanden – und hatte eine Software geschrieben, um einen motorbetriebenen Mikroskoptisch in einem zweidimensionalen Koordinatensystem zielsicher und reproduzierbar zu steuern.
Problem Nummer eins, die Entwicklung einer Oberflächenbeschichtung, an die Zellproben anhaften, ohne ihre Morphologie zu verändern, dauerte etwas länger. Letztendlich war aber auch das erledigt und patentiert. Die neu entwickelten Objektträger sehen in ihrer Endversion eher wie Mikrochips aus als wie klassische Deckglas-Objektträger-Pärchen. Sie besitzen einen Zulauf und einen Abfluss für den reibungslosen Wechsel der Antikörper. Und so war auch der Name der Methode schnell gefunden: Chipzytometrie.
Hennigs neue Fluoreszenz-Methode lässt sich nicht nur für spezielle Fragestellungen einzelner Forschungsgruppen nutzen, sie ermöglicht auch ausgewachsene diagnostische Analysen. Und genau das ist es, was die großen Pharmafirmen seit Jahren erfolglos zu etablieren versuchen. Kann das kleine Start-Up aus Hannover also auf ein Riesengeschäft hoffen?
Prinzipiell ja. Aber dazu bräuchte man die geballte Marketingmacht eines Großkonzerns. Eine kleine Firma tut sich schwer damit, ein noch so gutes Produkt erfolgreich zu vermarkten.
Ungeheure Datenmengen
Ohnehin musste vorher ein anderes Problem gelöst werden. „Technisch funktionierte unsere Methode. Problematischer war das Handling der Datenmengen“, antwortet Hennig auf die Frage, was denn bei der Entwicklung die größte Hürde gewesen sei: „50.000 Zellen in einer Probe und 20 verschiedene Marker müssen treffsicher zugeordnet und die Aussagen aller Analysen zusammengefasst werden.“ Die dazu nötige Software existierte noch nicht, und deshalb sei der Nerd-Faktor in seiner Firma auch ziemlich hoch; man erkenne diese an zwei Bildschirmen auf dem Schreibtisch, grinst Hennig. In der Tat: Kollege Jochen Brinkmann: zwei Bildschirme; Hennig selbst: zwei Bildschirme; Kollegin Anja Mirenska: zwei Bildschirme. Nur die Technischen Assistenten Stanislav Kraus und Karen Sagrey müssen sich mit einem begnügen.
Die Firmengründung möglich machte 2011 eine Anschubfinanzierung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Zuge der GoBio-Förderung. Zweieinhalb Millionen Euro erhielten Hennig und seine Kollegen für vier Jahre, um ihre Methode marktreif zu machen. Dabei soll es auch bleiben; keinesfalls wollen sie sich in Abhängigkeit der in der Biotechbranche üblichen Wagniskapital-Investoren begeben – oder gar von einem großen Fisch schlucken lassen.
Der gewöhnungsbedürftige Name „Zellkraftwerk“ soll dabei mithelfen, sich bei potenziellen Auftraggebern bekannt zu machen. Auch im Ausland könnte das klappen; erinnert „Zellkraftwerk“ doch an die wegweisende deutsche Elektro-pop-Band, die in den 1970ern und 1980ern mit Hits wie „Die Roboter“ und „Das Model“ Geschichte schrieb: „Ah, Croftwörk, yeah, of course!“
Apropos „Roboter“: Die chipzytometrische Feinarbeit erledigt inzwischen ein nagelneu entwickelter Pipettierroboter. Dieser trägt unter anderem die Antikörper auf und spuckt am Ende eines vollautomatisierten Vorgangs eine kleine Broschüre aus, die alle relevanten Daten enthält: die Zellzusammensetzung der Proben samt Aktivierungszuständen, die Teilungsaktivitäten und all die anderen diagnostischen Parameter, welche die Kunden benötigen.
Multiple Möglichkeiten
Als besondere Spezialität bieten die Hannoveraner an, beliebige Proben mit spezifischen experimentellen Parametern zu verknüpfen und als Experiment zu speichern: „Dadurch sind wir in der Lage, mit Hilfe der Software ganze Versuchsreihen miteinander zu vergleichen unter Berücksichtigung der Behandlung der Zellen. Das gab es in der Mikroskopie vorher nicht“, betont Hennig.
Was es vorher auch noch nicht gab, sind „abschaltbare“ Fluoreszenz-Antikörper. Diese enthalten ein kleines Stück einzelsträngiger DNA; bei Zugabe eines komplementären DNA-Strangs, der einen Quencher enthält, wird die Fluoreszenz des Fluorophors durch die räumliche Nähe absorbiert und so gelöscht. Da die Dauer bis zum Ausbleichen der Fluoreszenz den bedeutendsten Zeitfaktor bei der Chipzytometrie darstellt, erhoffen sich die Zellkraftwerker viel von diesen Spezialantikörpern. Patentiert sind sie bereits.
Demnächst vergrößert sich die Belegschaft um einen Vertriebsprofi, der sich auch finanziell an der Firma beteiligt. Und dieser habe bereits neue Märkte ausgemacht, freut sich Hennig. Die Hannoversche Chipzytometrie sei garantiert auch bei der Analyse von Gewebeschnitten gefragt – und somit bietet man künftig auch die Möglichkeit, Histologien anfertigen zu lassen. Wer schläft, verliert.
Thorsten Lieke
(Der Artikel erschien bereits gedruckt im aktuellen Laborjournal 3/2013: 50-1)