Ein Ziel der personalisierten Medizin ist es, eine maßgeschneiderte Pharmakotherapie für den jeweiligen Patienten aufzustellen und diese gegebenenfalls auch über den Therapieverlauf hinweg anzupassen. Ermöglicht werden solche spezifischen Therapien durch das Zusammenspiel mehrerer moderner technologischer Errungenschaften. Eine zugeschnittene Krebstherapie könnte somit beispielsweise durch die Integration von Durchflusszytometern, DNA-Sequenzierung und Organ-on-a-Chip Anwendungen realisiert werden.
Durchflusszytometer sind Geräte, die eine schnelle Analyse von Zellen erlauben. Bei diesem Messverfahren fließen Zellen in einer hohen Geschwindigkeit an einer Analyseeinheit vorbei. Dort werden Zellen mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert und mit Hilfe von einer nachgeschalteten Zellsortiertechnologie isoliert. Besonders wichtig sind Durchflusszytometer im Zusammenhang mit im Blut zirkulierenden Tumorzellen (englisch: Circulating Tumor Cells, CTCs). CTCs können aus einer Blutprobe eines Patienten isoliert werden und stellen somit, im Vergleich zu teils komplizierten und invasiven Biopsien, eine minimal-invasive Alternativmethode dar.
Die CTCs gelangen aus dem Primärtumor in den Blutkreislauf oder in das lymphatische System. Bereits in einem frühen Krankheitsstadium können CTCs im Blut von Patienten nachgewiesen werden, da ihr Aufkommen mit 1 bis 10 CTCs pro ml Vollblut im Vergleich zu Millionen weißer und Milliarden roter Blutkörperchen in der gleiche Menge Blut aber extrem niedrig ist, bedarf es hochsensibler Durchflusszytometer und -sortierer, um sie zu detektieren und zu isolieren.
Sind die CTCs isoliert, können Sie weiter charakterisiert werden. Diese Charakterisierung kann und muss bis auf die molekulare Ebene reichen, und selbst die DNA einer einzelnen Tumorzelle kann sequenziert werden. Verlässliche und zeitlich relevante Daten können die so genannten Next-Generation-Sequencing (NGS)-Technologien liefern. NGS ermöglicht es, die Nukleotid-Abfolge von DNA mit höherem Durchsatz als bei den klassischen Sequenzierungsmethoden zu ermitteln. Die gewonnenen Informationen könnten so Aufschluss über die Art des Tumors, die spezifischen Mutationen der CTCs und somit eine Indikation über den möglichen Krankheitsverlauf und die relevanten Therapien geben. Die Kombination aus NGS und CTCs macht einen Ersatz der traditionellen Biopsie in Zukunft möglich.
Mikrosensor steuert die Prozesse in der Zell-Analyse
Als nächster Schritt könnte in Zukunft eine Organ-on-a-Chip-Technologie (OOC) folgen. OOC ist eine hoch-technologische Ausprägung von Zellkulturen. Klassische zweidimensionale Zellkulturen in Petrischalen haben den Nachteil, dass sie weit von der in-vivo-Situation entfernt sind. Um diesen näher zu kommen wurden dreidimensionale Zellkulturen entwickelt. In solchen dreidimensionalen Zellkulturen können die Zellen in alle Richtungen wachsen und bilden die Mikroumgebung in lebendem Gewebe mit den charakteristischen Zelle-Zelle- und Zelle-Matrix-Interaktionen naturgetreuer nach.
Das Zusammenspiel dieser Technologien und Anwendungen hat ein immenses Potenzial. Die Möglichkeiten scheinen grenzenlos, allerdings kämpfen alle genannten Anwendungen mit ähnlichen Hürden. Diese Hürden entstehen aus ihrem Vorteil der hohen Präzision: Um verlässliche Ergebnisse und somit die Effektivität für die Patienten zu garantieren, müssen alle internen Prozesse der jeweiligen Systeme genauestens definiert, gemessen und kontrolliert werden. Die hohen Anforderungen an die Genauigkeit, sowie die Kleinstmengen an Proben, die zur Verfügung stehen, benötigen entsprechende Sensortechnologien, um die Prozesse genauestens steuern zu können.
Diese Sensortechnologien finden sich im Produktportfolio der Schweizer Sensirion AG, Staefa, wieder. Neben CO2, PM2.5 und Feuchte- und Temperatursensoren, komplettieren Differenzdruck- sowie Gas- und Flüssigkeitsdurchflusssensoren das Produktportfolio. Ein Beispiel für einen solchen Flüssigkeitsdurchflusssensor ist der LPG10. Mit seinen Abmessungen von 10 x 10 mm2 lässt er sich auch in sehr kleine medizinische Geräte, wie beispielsweise die so genannten Point-of-Care-Geräte integrieren. Wegen der Biokompatibilität – Glas ist das einzige benetzte Material des Sensors – sowie dem mikrothermischen Messprinzip, eignet sich der LPG10 mit seiner hohen Genauigkeit und Messgeschwindigkeit bei niedrigsten Flussraten für die genannten Anwendungen.
Das Messprinzip
Die CMOSens-Technologie integriert einen sehr schnellen, miniaturisierten thermischen Sensor zusammen mit der hochpräzisen Auswerteschaltung auf einem einzigen CMOS-Mikrochip. Ein Heizelement auf dem Mikrochip bringt für die thermische Flussmessung eine minimale Wärmemenge in das Medium ein. Zwei Temperatursensoren erfassen mit hoher Sensitivität kleinste Temperaturdifferenzen und liefern so die grundlegende Information über die Wärmeausbreitung. Mit der Integration auf einem einzigen Chip wird sichergestellt, dass die analogen Sensorsignale störungsfrei und hochpräzise verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet werden können. Der Chip stellt ein kalibriertes und linearisiertes Signal über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung.
