Medikamente mit zehntausenden winzigen Tropfen auf einer kleinen Glasplatte entwickeln

Die gesamte Tropfenproduktion erfolgt automatisiert in einem kompakten Gerät so gross wie ein Mikroskop, das zusätzlich auch mikroskopieren, Zellen kultivieren und automatisch die Proben wechseln kann. «Früher brauchte man eine halbe Stunde, um alles richtig einzustellen», sagt Breitfeld. «Heute reicht dank unserer Automatisierung ein Knopfdruck, und das Experiment kann starten», sagt Maximilian Breitfeld, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Dittrich. Durch die Kombination aus präziser Steuerung und physikalischem Öl-Schutz lässt sich die Zusammensetzung der Tropfen gezielt variieren - mal mit mehr, mal mit weniger Wirkstoff. So entstehen feine Konzentrationsverläufe. Forschende können darin zum Beispiel Enzyme über längere Zeit beobachten oder den Effekt der Wirkstoffe auf Zellen in hochparallelisierten Tests untersuchen. Analysiert werden die Tropfen anschliessend entweder mit Fluoreszenzmikroskopie oder mit Massenspektrometrie. So lassen sich etwa Enzymreaktionen exakt verfolgen.

Wenn Stunden zu Minuten werden

Die Grundidee stammt aus früheren Arbeiten der Gruppe, in denen sie bereits Tropfen für Screening-Anwendungen erzeugten. «Wir wussten, wie die Technologie prinzipiell funktioniert, aber sie war zu langsam, um in der Praxis konkurrenzfähig zu sein», sagt Dittrich. Den entscheidenden Schritt machten die damaligen Doktoranden Maximilian Breitfeld und Claudius Dietsche: Ihr neu entwickeltes Verfahren beschleunigt nicht nur die Tropfenerzeugung massiv, sondern automatisiert auch den gesamten Ablauf.

Die ETH liess das Verfahren nicht nur patentieren, sondern nominierte es auch als Finalist für den diesjährigen Spark Award.

Eine grosse Datenmenge bewältigen

Die enorme Leistungsfähigkeit der Methode bringt auch eine neue Herausforderung mit sich. «Wir erzeugen eine riesige Menge an Daten», sagt Dittrich. «Das ist manuell gar nicht mehr auszuwerten - dafür brauchen wir Softwarelösungen, die uns helfen, die Informationen sinnvoll zu analysieren.»

Während die Datenmengen rasant anwachsen, bleibt der Ressourcenverbrauch erstaunlich gering: Pro Experiment können bis zu fünf Kilogramm nicht recycelbaren Plastik gespart werden, das eingesetzte Öl lässt sich auffangen, und der Chemikalienverbrauch ist im Vergleich zu herkömmlichen Methoden drastisch reduziert. Ein ganzer Experimentdurchlauf benötigt statt Litern an Reaktionsmedium nur noch Mikroliter.

Dennoch hat die Methode klare Grenzen. Die winzigen Tropfen eignen sich perfekt für schnelle Reaktionen in kleinen Volumina, wie sie in der Mikrofluidik üblich sind. Für grössere Flüssigkeitsmengen oder Gewebekulturen, die über mehrere Wochen wachsen, ist die neue Methode nicht geeignet.

Von der Forschung zur Ausgründung

Die Forschenden planen nun ein Spin-off, um die Methode zur Marktreife zu bringen. Verkauft werden soll ein Komplettsystem bestehend aus Glasplatten, Gerät und Software - und optional auch gleich darauf basierende biologische Tests.

«Für mich ist entscheidend, dass das System wirklich zuverlässig und einfach zu bedienen wird», sagt Dietsche. «Nur wenn wir die Benutzerfreundlichkeit garantieren können, kann es auch ausserhalb unseres Forschungslabors eingesetzt werden.» Die Nachfrage sei bereits spürbar, berichten die Forschenden, und die Nominierung für den Spark Award gibt ihnen zusätzlichen Rückenwind für die geplante Ausgründung.