Zebrafischeier gehören zu den am häufigsten verwendeten Modellorganismen in der genetischen, entwicklungsbezogenen und toxikologischen Forschung. Ein vom EPFL-Spin-off Bionomous entwickeltes Gerät verkürzt die Zeit, die zum Sortieren dieser Embryonen benötigt wird, von mehreren Stunden auf nur wenige Minuten.
Zebrafische sind nur vier oder fünf Zentimeter lang und haben nur wenig Ähnlichkeit mit Menschen. Daher mag es überraschen zu erfahren, dass sie 70 % ihrer Gene mit uns teilen. Diese biologische Eigenschaft, gepaart mit der Tatsache, dass ihre Eier reichlich vorhanden und durchsichtig sind, macht diese winzigen Süßwasserelritzen für die Wissenschaft besonders wertvoll. Tatsächlich hat die auf Zebrafischen basierende Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten in allen Bereichen stark zugenommen, von Myopathie und anderen genetischen Störungen bis hin zu Krebs, Alzheimer-Krankheit, Arzneimittelentdeckung und toxikologischem Screening.
Aber es gibt einen grundlegenden Stolperstein bei diesem neuen Modellorganismus: die mühsame Untersuchung der Eier unter einem Mikroskop, um gesunde Exemplare zu identifizieren, die für die Forschung verwendet werden können. Das EPFL-Spin-off Bionomous hat Mikrotechnik und künstliche Intelligenz kombiniert, um eine Maschine zu entwickeln, die diese Sortierübung von mehreren Stunden auf nur wenige Minuten verkürzt. Nach Abschluss einer ersten Fundraising-Runde Anfang dieses Jahres bereitet sich das Unternehmen darauf vor, seine Maschine im Herbst auf den Markt zu bringen. Es wird auch an einer Version des Geräts mit größerer Kapazität gearbeitet, die den Sortierprozess für andere Arten von Eiern sowie Samen beschleunigen könnte.
Analysieren von fluoreszierenden Fischen
Die Vorteile der Verwendung von Zebrafischen in der Forschung kamen erstmals vor etwa 20 Jahren ans Licht. Seitdem haben viele Forschungseinrichtungen – darunter die EPFL – eigene Zuchteinrichtungen eröffnet. „Ein entscheidender Vorteil von Zebrafischen ist, dass sie sich schon in einem sehr frühen Stadium außerhalb des Körpers der Mutter entwickeln“, sagt Frank Bonnet, CEO und Mitbegründer von Bionomous. „Das macht sie zu einer ethischeren Wahl als andere Modelle wie Mäuse, da sie ein breites Forschungsspektrum zur Entwicklung von Fischen und damit auch von Wirbeltieren unterstützen.“
Für seine Abschlussarbeit arbeitete Bonnet an der Entwicklung eines Roboterfisches, der in der Lage ist, Zebrafischschwärme aus Fleisch und Blut zu infiltrieren. Die Idee zu seinem Gerät kam ihm, nachdem er beobachtet hatte, wie andere Forscher stundenlang über einem Mikroskop gebrütet hatten, um lebensfähige Eier auszuwählen.
Mit seinem Ph.D. Unter seiner Leitung machte sich Bonnet daran, eine Maschine zu entwerfen, die ein ganzes Reagenzglas mit Tausenden von Eiern in einem einzigen Durchgang verarbeiten konnte. Es verwendet ein mikrofluidisches System, um einzelne Proben zu erfassen und sie einzeln auf ein gekerbtes Rad auszuwerfen. Wenn sich das Rad dreht, gehen die Eier unter eine Kamera. Die Bilder werden dann von einem künstlichen Intelligenzsystem verarbeitet: Gesunde Proben werden auf eine Siebplatte oder in eine Petrischale pipettiert, während abgelehnte Proben in einen separaten Behälter geschickt werden. Das Gerät unterstützt auch die Fluoreszenzbildgebung in genetisch veränderten Proben, sodass Wissenschaftler Merkmale wie Blutgefäße und Neuronen in Echtzeit beobachten können. Die Deep-Learning-Algorithmen können auf die Anforderungen der Forscher zugeschnitten werden und Eier nach Befruchtungsstatus, Entwicklungsstadium, morphologischen Merkmalen oder spezifischen Biomarkern klassifizieren.
Eine neue Version in Vorbereitung zum Sortieren anderer winziger Entitäten
Seit der Einreichung einer Patentanmeldung im Jahr 2017 hat sich das Unternehmen Startkapital aus mehreren Quellen gesichert und seine Technologie in einer Reihe von Labors getestet, darunter das schwedische Karolinksa-Institut, eine der größten Tierforschungseinrichtungen Europas. „Eine unserer Maschinen ist eine feste Einrichtung an der Oregon State University, die ebenfalls mehrere Geräte der neuen Generation bestellt hat“, sagt Bonnet.
2021 sammelte das Spin-off in einer ersten Fundraising-Runde 1,3 Millionen Franken ein. Die Kapitalspritze nutzte das Unternehmen, um die Maschine fertigzustellen, die es im Herbst auf den Markt bringen wird. Jetzt arbeitet das Unternehmen an einer neuen Version, um die Erforschung anderer kleiner biologischer Einheiten zu unterstützen.
„In Sektoren wie Landwirtschaft und Fischzucht verbringen Forscher immer noch unzählige Stunden damit, riesige Mengen an Eiern und Samen zu sortieren“, sagt COO und Mitbegründerin Ana Hernando. Als Mitglied der Venture Leaders Biotech-Kohorte wird Bonnet Mitte September in die Vereinigten Staaten reisen, um internationale Investoren und führende Akteure in diesem Nischenmarkt zu treffen.