Patent DE-102013016994-A1 (DE)
Title: Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung der Dynamik ionisch-elektrischen Zellverhaltens
Inventor: WEYH THOMAS
IPC: G01N33/487
Filed: 2013-10-14
Abstract: Elektrisches Verhalten spielt in biologischen Zellen eine tragende Bedeutung. Ein zentraler Teil der intrazellulären Mechanismen sowie ein großer Teil der Kommunikation zwischen einzelnen Zellen oder zellulären Einheiten findet ionisch-elektrisch statt. In der Pharmaindustrie und Biotechnologie werden Zellen und ganze Organismen mit bestimmten Eigenschaften, oft mit genetischen Verfahren, hergestellt. Viele dieser gewünschten besonderen Eigenschaften betreffen insbesondere einen der ionisch-elektrischen Mechanismen von Zellen. Allerdings weisen derartige Verfahren auch im industriellen Maßstab keine hundertprozentige Erfolgsrate auf, sodass anschließen qualitätsichernde Maßnahmen durchgeführt werden müssen. Bei Einzelzellen wird oft das Patch-Clamp-Verfahren eingesetzt, welches noch nicht automatisiert werden kann. Die Versuche, dies zu automatisieren sind einerseits in der Regel auf bestimmte Zelleigenschaften angewiesen (beispielsweise Zellform, das Vorliegen vereinzelter Zellen außerhalb eines Verbundes, kein adhärentes Wachstum etc.), schließen primäre Kulturen oder ganze Zellverbände aus und lösen nicht das Problem, dass die Proteine, deren korrekte Funktion analysiert werden soll, einzeln überprüft werden müssen – indem sie beispielsweise über chemische/pharmakologische Blocker, das heißt das Verhalten biologischer Mechanismen, insbesondere Signalkaskaden, beeinflussende, in den überwiegenden Fällen inhibierende oder deaktivierende Einflussfaktoren, beispielsweise Substanzen, funktional isoliert werden. Für Zellen oder Zellverbände ließe sich das Patch-Clamp-Verfahren deutlich günstiger durch automatisierte so genannten Multielektrodenarrays ersetzen, die auf einem typischen Kultur-Substrat, beispielsweise Glas oder einem Kunststoff, leitende Elektroden zur Verfügung stellen. Über diese kann das ionisch-elektrische Verhalten der kultivierten Zellen beobachtet und beeinflusst werden – der technisch komplizierte Vorgang, bei dem das Patch-Clamp-Verfahren den Zugang zur Zelle erzeugt, entfällt. In einem zweiten Schritt erfahren die Testobjekte eine definierte Reizfolge und das elektrisch dynamische Verhalten der Zellen wird gemessen und aufgezeichnet. Anschließend werden die vorhandenen Messdaten mit mathematischen Hilfsmitteln modellhaft nachgebildet. Die vorliegende Erfindung kann für eine automatische Entscheidung, insbesondere eine Sortierung – im Sinne einer Qualitätssicherung – genutzt werden. Ferner können die detektierte individuellen dynamischen Eigenschaften auch als Basis für andere Entscheidungen dienen, die keiner gesonderten Sortierung bedürfen, beispielsweise nur eine bestimmte Gruppe je nach Möglichkeit selektiv einer besonderen biologischen, chemischen, pharmakologischen oder physikalischen Behandlung zu unterziehen. Analog dem oben beschriebenen Sortierungs- und Qualitätssicherungsverfahren von Zellen wird die individuelle Dynamik eines ionisch-elektrischen Systems in diesem Fall charakterisiert, erkannt/identifiziert und vom Normzustand unterschieden, um beispielsweise die (Neben-)Wirkung eines Medikamentes zu ermitteln und zu quantifizieren. Ferner wird auf diese Weise nicht nur die Veränderung an sich erkannt, sondern auch die Ursache bzw. der Ort der Veränderung (beispielsweise ein bestimmtes Protein) detektiert bzw. aus den Messdaten errechnet. Ein weiterer Einsatzort der vorliegenden ist die (systematische) Entwicklung und Zulassung von Wirkstoffen. Dabei werden die Wirkungen von Wirkstoffen und Giften in der Regel einem so genannten Screening-Verfahren auf eine Vielzahl von Zellmechanismen beobachtet; der Großteil hierbei betrifft Elemente ionisch-elektrischer Mechanismen, beispielsweise Rezeptoren und Ionenkanäle.