Krebs ist heute die zweithäufigste Todesursache in Deutschland, nur noch überboten von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Obwohl die Medizin inzwischen über zahlreiche Diagnosemöglichkeiten verfügt, fällt es oft schwer, den jeweiligen Tumor zu klassifizieren. Doch jede Art von Karzinom erfordert eine andere Behandlung. Daher ist die Analyse der Krebszellen ein entscheidender Schritt in der Therapieplanung.
Durchflusszytometer | Ein bißchen wirkt das "FACS Aria III" wie eine Kaffeemaschine. Doch es arbeitet mit sechs Lasern, um Zellpopulationen mit einer Sortierreinheit von über 98 Prozent zu trennen.
Nachdem eine Gewebeprobe entnommen wurde, gilt es als erstes, die gesunden Zellen von den Tumorzellen zu trennen. Meist bestehen auch die Geschwüre aus verschiedenen Zelltypen, sodass man diese Populationen ebenfalls separieren muss. Antikörper helfen, sie voneinander zu unterscheiden. Solche Moleküle produziert das Immunsystem, damit sie sich an körperfremde und daher potenziell schädliche Strukturen heften. Ärzte oder Forscher können Antikörper gezielt so züchten, dass sie an Oberflächenformationen binden – Rezeptoren, Kanäle und Enzyme auf der Außenhülle –, die bestimmte Tumorzellen kennzeichnen. Bindet solch ein Antikörper also an eine Zelle, ist diese damit eindeutig identifiziert. Um den Antikörper schließlich sichtbar zu machen, koppelt man diesen mit fluoreszierenden Proteinen, denn diese lassen sich mit Strahlung anregen, Licht bestimmter Wellenlängen auszusenden.
Jede Punktwolke entspricht einer Zellpopulation | Jeder Punkt in diesem Diagramm repräsentiert eine einzelne Zelle. Tritt sie durch einen Laserstrahl, misst das Durchflusszytometer die Intensität des Vorwärtsstreulichts (FSC; dieser Wert ist ein Marker für die Zellgröße), des Seitwärtsstreulichts (SSC; ein Marker für die äußere Form und Granularität der Zelle) und der verschiedenen Fluoreszenzen der gebundenen Antikörper. Je zwei Intensitäten können in diesem so genannten Dot-Blot gegeneinander aufgetragen werden. Weil Zellen mit ähnlichen Eigenschaften durch ähnliche Lichtemissionen charakterisiert sind, bilden sich Punktwolken im Diagramm, die verschiedenen Zellpopulationen entsprechen.
Zum Sortieren der Gewebeproben verwendet man heute Durchflusszytometer. Eines dieser FACS-Geräte (Fluorescence Activated Cell Sorting) wurde jüngst bei einer Führung durch das Deutsche Krebsforschungszentrum in Heidelberger vorgestellt. Zunächst werden die Krebszellen in einer Gewebeprobe mit Hilfe der fluoreszierenden Antikörper markiert. Dann gibt man sie in eine Trägerflüssigkeit. Diese Mischung strömt im Zytometer an einer feinen Düse aus, deren Auslassdurchmesser nur etwa dem einer einzelnen Zelle entspricht, und fällt daraufhin durch bis zu sechs Laserstrahlen. Weil jeder der Strahlen eine andere Wellenlänge besitzt, regt er jeweils andere Antikörper zur Lichtemission an. Detektoren sammeln die Strahlungsdaten und leiten sie an einen Computer weiter, der aus ihnen die Identität der passierenden Zellen ermittelt.
Der Strahl zerfällt in einzelne Tropfen
Dank der inzwischen großen Zahl an Fluoreszenzfarbstoffen können moderne Durchflusszytometer pro Messung bereits bis zu 19 Zelleigenschaften wie etwa das Vorhandensein bestimmter Rezeptoren oder Membrankanäle unterscheiden. Das Resultat sieht der Arzt schließlich in Form von Diagrammen auf einem Bildschirm, in denen Punktwolken Zellen mit gleichen Eigenschaften repräsentieren (siehe Abbildung). Diese Punktwolken kann der Mediziner auswählen und die entsprechenden Zellen mit Hilfe der Maschine direkt abtrennen. Weil die Düse, durch welche die Flüssigkeit geschickt worden ist, leicht vibriert, zerfällt der Strahl nach einer kurzen Wegstrecke am so genannten Tropfenabriss in einzelne Tropfen, die meist nur eine einzige Zelle enthalten. Zu diesem Zeitpunkt hat der Computer die Laserdaten bereits ausgewertet und die Zelle identifiziert. Nun sorgt er dafür, dass der Tropfen mit passender Polung elektrisch aufgeladen wird. Wenn dieser dann durch einen weiter unten im Gerät liegenden Plattenkondensator fällt, zieht ihn dessen bis zu 6 000 Volt starkes Feld je nach Ladung des Tropfens nach links oder rechts, sodass er schließlich in ein für ihn bestimmtes Glas fällt. Durch Kombination mehrerer Kondensatoren können sogar bis zu 16 Zellpopulationen gleichzeitig voneinander getrennt werden.
Wie sortiert man 30 000 Zellen pro Sekunde? | Zunächst werden Zellen aus einer Gewebeprobe mit fluoreszierenden Antikörpern markiert und mit einer Trägerflüssigkeit gemischt. Eine Düse fokussiert die Lösung auf den Zielpunkt des Lasers, wo die Zellsuspension je nach Antikörpern ein Fluoreszenzsignal aussendet. Am so genannten Tropfenabriss zerfällt der ursprüngliche Flüssigkeitsstrahl in Tropfen, von denen etwa jeder dritte eine Zelle enthält. Je nach Ergebnis der Fluoreszenzmessung werden die Tropfen elektrisch aufgeladen und schließlich durch ein elektrisches Feld zur passenden Seite hin abgelenkt. Leere Tropfen oder solche mit ungefärbten Zellen werden nicht aufgeladen und landen daher ohne Richtungsänderung im "Abfall".
Etwa 90 000 Tropfen passieren das Gerät pro Sekunde, statistisch enthält jeder dritte eine Zelle, sodass die Analyse von Tumorgewebeproben sehr schnell vor sich gehen kann. Zum Sortieren der 100 Billionen Zellen eines erwachsenen Menschen müsste der Apparat aber immer noch mehr als 100 Jahre ununterbrochen arbeiten. Doch das ist gar nicht das Ziel. Im Alltag von Ärzten und Forschern geht es vor allem darum, solche grundlegenden Arbeiten möglichst schnell und präzise durchzuführen. Und das gelingt offenbar immer besser.
Schreiben Sie uns!
Beitrag schreiben