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cytena GmbH vereinfacht die Vereinzelung von Zellen

Die 2014 aus dem Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) ausgegründete Firma cytena GmbH hat ein Gerät entwickelt, das sicher und schonend Zellen vereinzelt. Die mit dem „Einzelzell-Drucker“ namens cy-Clone selektierten Zellen können zum Beispiel für die Untersuchung von Tumorheterogenität oder zur Herstellung klonaler Zelllinien für die Produktion von Antikörpern genutzt werden.

Für verschiedene Anwendungen in der Grundlagenforschung, der pharmazeutischen Industrie oder der Diagnostik ist es unerlässlich, aus einer großen Menge unterschiedlicher Zellen einzelne Zellen gezielt herauszusortieren. Zum Beispiel bestehen Tumoren aus unterschiedlichen Zelltypen, die verschiedene Gene exprimieren (Tumorheterogenität) und somit verschiedene Eigenschaften besitzen. Die einzelnen Zell-Subtypen können einen entscheidenden Einfluss auf die Prognose und die Wahl der Therapie haben. Die für die Analyse notwendige Vereinzelung der Zellen geschieht bisher aufwendig „per Hand“ unter dem Mikroskop oder mit Hilfe eines FACS-Gerätes (Durchflusszytometer), das in der Anschaffung teuer ist und sich nur für die Arbeit mit größeren Mengen an Zellsuspensionen eignet.

Das Team von cytena: Dr. Peter Koltay, André Groß, Benjamin Steimle und Jonas Schoendube (v.l.n.r.). © cytena GmbH

Mikrosystemtechnik für die Zellbiologie

Eine Lösung für dieses Problem hat das Freiburger Start-up cytena entwickelt. Die Idee entstand vor einigen Jahren in der AG von Dr. Peter Koltay am Institut für Mikrosystemtechnik. Die Gruppe arbeitet schwerpunktmäßig an der kontaktfreien Dosierung von Flüssigkeiten, unter anderem von flüssigem Metall und biologischen Proben.

„Vor diesem Hintergrund stellte sich damals die Frage, ob es nicht möglich wäre, mit einer solchen Drucktechnologie auch gezielt einzelne, lebende Zellen aus einer Probe heraus zu isolieren“, so André Groß, Technischer Leiter von cytena. Die Antwort auf die Frage wurde im Rahmen einer Doktorarbeit in Angriff genommen und die daraus entstandene Technologie 2010 zum europäischen Patent angemeldet.

Wie aber funktioniert der Einzelzell-Drucker? Er besteht im Wesentlichen aus einem Basisgerät und einem Druckkopf mit einer auswechselbaren Druckkartusche. Das Basisgerät steuert den Druckkopf und führt das Analysesubstrat, auf das die vereinzelten Zellen abgelegt werden. In die Druckkartusche pipettiert man die Zelllösung. Die Kartusche enthält im Inneren einen Mikrochip, der aus der Zelllösung einzelne Tropfen erzeugt. Immer wieder befinden sich in solchen Tropfen auch Zellen.

Aufgrund der speziellen Bauart des Mikrochips kann man während des Druckprozesses in ihn hineinsehen. Über ein Video-Mikroskop wird der Mikrochip automatisiert überwacht. Ein Computeralgorithmus erkennt und zählt die Zellen, welche sich im Chip befinden, und errechnet, wann welche Zelle – eingeschlossen in einen Tropfen – den Chip verlassen wird. Darüber hinaus errechnet der Computer Größe und Form jeder Zelle. Somit kann man exakt vorhersagen, welcher Tropfen wie viele und welche Art von Zellen enthält. Eine pneumatische Absaugung lässt nur diejenigen Tropfen auf das Substrat gelangen, welche tatsächlich eine Zelle enthalten.

Der Einzelzell-Drucker „cy-Clone“ der Firma cytena. © cytena GmbH

„Wir erkennen die einzelnen Zellen bereits innerhalb des Chips, und zwar bevor der Tropfen überhaupt erzeugt wird. So können wir erstens sehr präzise vorhersagen, welche Tropfen eine Zelle enthalten, und zweitens, welcher Art diese Zelle ist. Danach können wir frei entscheiden, ob wir diesen Tropfen auf das Analyse-Substrat drucken oder nicht. Dieses flexible Verfahren erlaubt uns viele Freiheitsgrade hinsichtlich Probenzusammensetzung, Isolation der Zellen und Substrattypen“, erläutert Groß die Funktionsweise des Gerätes.

Der mittels bildgebender Technik erbrachte Nachweis, dass genau eine Zelle abgelegt wurde, macht den Einsatz des Gerätes bei der Herstellung von klonalen Zelllinien für die Medikamentenentwicklung möglich. Hinzu kommt der Vorteil, dass nur die Druckkartuschen mit der Zelllösung in Berührung kommen. Da es sich bei diesen um Einwegartikel handelt, können Querkontaminationen ausgeschlossen werden und aufwendige Reinigungsarbeiten entfallen. Mit dem Gerät können bereits kleine Mengen ab 10 µl verarbeitet werden, was es für den Einsatz in der Grundlagenforschung, zum Beispiel für genetische Einzelzellanalysen, interessant macht.

„Unser Verfahren ist sehr schonend. Die Überlebensrate der Zellen liegt bei über 90 Prozent", so Groß. „Hinzu kommen neben den für ein Laborgerät moderaten Anschaffungskosten die Einsparnisse bei den Betriebskosten. Durch die einfache Bedienung – Probe einfüllen, Kartusche einlegen, vordefiniertes Programm starten - kann das Gerät von jedem Mitarbeiter bedient werden“, ergänzt Benjamin Steimle, Kaufmännischer Leiter von cytena.

Von der Erfahrung anderer profitieren

In diese Einweg-Druckkartuschen werden die Zelllösungen pipettiert. © cytena GmbH

Die technische Entwicklung von der initialen Idee zum fertigen Gerät wurde maßgeblich durch das EU FP7 Förderprojekt PASCA (Platform for advanced single cell handling and analysis) ermöglicht. Als die Förderung Ende 2013 wie geplant auslief, waren bereits sieben Prototypen produziert. Sie wurden in den Laboren von verschiedenen Projektpartnern getestet. „Das Gerät funktionierte ausgezeichnet und die Partner waren zufrieden. Somit lag die Idee einer Ausgründung auf der Hand,“ erinnert sich Groß. Es folgte, unterstützt durch eine weiterführende Förderung des BMWi/ESF, dem EXIST-Forschungstransfer, die Gründung der cytena GmbH im Juni 2014.

„Momentan ist unser Team doch noch sehr technisch aufgestellt. Technologisch gibt es keine Engpässe. Nun müssen wir uns aber zunehmend auch mit administrativen Aufgaben wie Vertrieb, Marketing und Finanzen beschäftigen“, beschreibt Groß eine typische Herausforderung technologiebasierter Start-Ups. „Da ist es extrem nützlich, wenn man jemanden hat, der sich in diesen Bereichen auskennt und seine Erfahrung weitergibt.“ Hier profitiert die cytena von der Erfahrung von Dr. Koltay, der mit der BioFluidix GmbH bereits erfolgreich eine Firma gegründet hat. Mit dem Volkswirt Benjamin Steimle hat das Team einen Finanz- und Marketingexperten gewonnen.

Zusätzlich setzen die Gründer von cytena auf die Beratung durch erfahrene, externe Coaches. „Wir haben EXI-Gründergutscheine - vermittelt durch die BIOPRO und bwcon - bezogen und sind darüber auch in Kontakt mit einem erfahrenen Coach gekommen, der mittlerweile Beirat der Firma ist“, so Steimle. Auch von der Teilnahme am Science4Life Venture Cup 2014, bei dem cytena den dritten Platz belegte, hat die junge Firma nach eigener Einschätzung sehr profitiert.

Aktuell hat die Freiburger Firma vier Mitarbeiter und fertigt Geräte und Kartuschen in Eigenregie. Die nächsten Ziele sind aber schon klar definiert: „Derzeit arbeiten wir daran, die nötigen Zertifizierungen zu erhalten, damit unser Gerät nicht mehr als Prototyp angeboten werden muss, sondern als zertifiziertes Produkt verkauft werden kann. Parallel bauen wir Produktion, Marketing und Vertrieb aus“, beschreibt Groß die nächsten Schritte der jungen Firma. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Einwerbung externer Mittel: „Wir sind offen für Kooperationen und auf der Suche nach Investoren.“

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