Patienten in klinischen Studien müssen gründlich untersucht werden, um die Wirkung neuer Medikamente möglichst genau bestimmen zu können. Ein wichtiger Faktor dabei ist die Reaktion ihres Immunsystems. Mittels Chipzytometrie haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM ein Verfahren zur Charakterisierung von Immunzellen in der Lunge etabliert. Diese Technik bietet den großen Vorteil, dass wertvolle Proben von Patienten monatelang im Kühlschrank gelagert und auf weitere Parameter untersucht werden können, wenn im Laufe einer Studie neue Fragestellungen relevant werden.
Das Immunsystem setzt eine wahre Armee hochspezialisierter Zellen ein, um Infektionen zu bekämpfen. Um Krankheitserreger zu vernichten, produzieren Granulozyten einen Cocktail aus toxischen Molekülen, B-Zellen setzen spezifische Antikörper frei und Makrophagen eliminieren die Eindringlinge. „Je nach Krankheit findet man ganz unterschiedliche Immunzellen in der Lunge“, erklärt Dr. Saskia Carstensen, die die Chipzytometrie am Fraunhofer ITEM in Hannover etabliert hat. „Wir untersuchen Zellen aus dem Bronchialsekret, das die Patienten aushusten, dem sogenannten Sputum, und aus bronchoalveolärer Lavageflüssigkeit, die durch Waschen der Lunge mit Kochsalzlösung gewonnen wird.“
Automatische Probenanalyse
Für die Analyse werden Patientenproben auf einen speziellen Objektträger – in diesem Fall einen Chip mit transparenter Kammer – aufgetragen. Die Zellen heften sich an den Boden der Kammer und werden dann mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern gefärbt, die spezifisch an eine bestimmte Art von Immunzellen binden. Damit können Forscher beispielsweise Granulozyten und Makrophagen unterschiedlich einfärben. Die Analyse der mikroskopischen Bilder ist hochgradig automatisiert, und die Ergebnisse erlauben den Forschern, die Immunzellen in der Probe zu quantifizieren. „Mit der Chipzytometrie können wir die Zelltypen nicht nur voneinander unterscheiden, sondern auch sehen, ob sie aktiviert sind und zu welcher Untergruppe sie gehören“, erklärt Dr. Carstensen.
Die Chipzytometrie wurde von Zellkraftwerk entwickelt, einem hannoverschen Start-up, das inzwischen in das amerikanische Unternehmen Canopy Biosciences übergegangen ist. Zellkraftwerk verwendete ursprünglich Blutzellen, um die Technologie zu validieren. Jetzt hat Dr. Carstensen es für Immunzellen in der Lunge angepasst – was seine eigenen Herausforderungen mit sich bringt. „Zellen, die Patienten in ihrem Sputum aushusten, sind oft voraktiviert, was ihre Verarbeitung schwieriger macht als Blutzellen“, sagt sie. Auch die in der Lunge vorkommenden Makrophagen sind schwer zu analysieren, da sie viel größer als Blutzellen sind.
Die Entzündung kann nun quantifiziert werden
In einem Pilotprojekt konnte Dr. Carstensens Team zeigen, dass die Chip-Zytometrie an in der Lunge vorkommende Immunzellen angepasst werden kann. In dem Projekt lösten die Forscher bei gesunden Probanden eine Entzündung aus, indem sie ihnen einen Reizstoff einatmeten, der spezielle Bestandteile der Membranoberfläche von Bakterien nachahmt. Dann untersuchten sie das Sputum und die bronchoalveoläre Spülflüssigkeit der Probanden und verwendeten Chipzytometrie, um die Immunantwort der Lunge zu verfolgen. Das Team entdeckte insbesondere eine erhöhte Anzahl neutrophiler Granulozyten und Monozyten – also der Zellen, die sich in der Lunge zu Makrophagen differenzieren. „Wir haben gezeigt, dass wir Entzündungen erkennen und quantifizieren können“, erklärt der Biochemiker.
Den traditionellen Methoden überlegen
Das Projekt hob auch die Vorteile hervor, die die Chipzytometrie im Vergleich zu herkömmlichen Zellcharakterisierungsmethoden bietet. Im Gegensatz zu einer differentiellen Zellzählung, bei der die verschiedenen Zelltypen manuell unter einem Mikroskop gezählt werden, führt die Chipzytometrie die Analyse automatisch durch. Auch gegenüber einer anderen Standardmethode, der Durchflusszytometrie, bei der die Proben nach der Analyse verworfen werden, ist das neue Tool im Vorteil. Im Gegensatz dazu können die Zytometrie-Chips im Kühlschrank aufbewahrt und für weitere Analysen und Färbeprozesse verwendet werden.
Ein besonders intensiver Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer-Teams ist die Bestimmung der Wirksamkeit neuer Prüfpräparate zur Bekämpfung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD). Patienten mit diesem progressiven Syndrom leiden unter Husten, Auswurf und zunehmender Atemnot – und es gibt keine kausale Behandlung. Neben rund 6,8 Millionen Menschen in Deutschland ist COPD mittlerweile die dritthäufigste Todesursache weltweit. „Wir fungieren unter anderem als Zentrallabor für multizentrische klinische Studien und lagern die Proben in einer Biobank. Unsere Technologie eignet sich hervorragend, um die Wirkung von Medikamenten zur Behandlung von COPD während klinischer Studien zu überwachen“, sagt Dr. Carstensen.