Technologische Pionierarbeit liefert noch nie dagewesene biologische Einblicke

Die Menschheit hat erfolgreich ein mächtiges Arsenal an Mitteln und Wegen entwickelt, um die Ausbreitung von tödlichen Bakterien zu bekämpfen. Die Beulenpest, die im 14. Jahrhundert etwa ein Drittel der gesamten europäischen Bevölkerung auslöschte, könnte so heute nicht mehr auftreten^*1. Bakterien sind lebende, einzellige Organismen, die ohne einen Wirt überleben können und relativ einfach mit Antibiotika zu behandeln sind. Viren aber können nur überleben und sich vermehren, indem sie in Zellen eindringen. Das heißt, um ein Virus zu unterdrücken, muss die vom Virus infizierte Zelle ebenfalls abgetötet werden.

Viren sind 10- bis 100-mal kleiner als Bakterien und bestehen aus einem Stück genetischer Information (bestehend aus entweder DNA oder RNA), und einer Proteinhülle, die es schützt^*2,3. Sie dringen in Zellen ein und übersetzen mit Hilfe der Ribosomen, den „Proteinfabriken“ der Zelle, das Genom des Virus in virale Proteine anstelle der Proteine, die die Zelle eigentlich benötigt, um richtig zu funktionieren.

Im menschlichen Körper sind etwa 30 Billionen Zellen von mehr als 200 Typen vorhanden. Diese Zellen arbeiten zusammen, wobei Zellen ähnlicher Typen unsere Organe und Gewebe bilden^*4. Anomalitäten in der Zellfunktion können zu Krankheiten führen. Daher ist es wichtig zu verstehen, warum und wie sich Zelleigenschaften verändern.

„Die Auswirkungen von neu auftretenden Infektionskrankheiten auf die Gesundheit des Menschen sowie die Auswirkungen auf das soziale und wirtschaftliche Wohlergehen der Menschheit können enorm sein. Wenn wir die wesentlichen Schritte des Viruseintritts, der Infektion und der Replikation (Virus-Vermehrung) verstehen können, haben wir eine bessere Chance, Viruserkrankungen kontrollieren zu können.“
-Dr. Yohei Yamauchi, Associate Professor im Fachbereich Virus Cell Biology der Universität Bristol, Vereinigtes Königreich

Interessanterweise haben Zellen einen eigenen Charakter. Genauso wie wir mehr über Menschen erfahren, indem wir sie beobachten, kann die Beobachtung von Zellen über einen längeren Zeitraum ihre Charaktereigenschaften offenbaren. Dies kann uns helfen, zu bestimmen, wann eine Zelle aufgrund eines äußeren Einflusses Veränderungen erfährt. Im Falle von Krebserkrankungen ist es zum Beispiel möglich, den Zeitpunkt abzuschätzen, wann eine Zelle krebsartig wird. Um dies jedoch effektiv realisieren zu können, muss die Dynamik des Krebsgewebes auf der Ebene der individuellen Zellen analysiert werden.

Der konventionelle Ansatz besagt, dass die Metastasierung von Krebs beginnt, wenn eine einzelne Zelle die Fähigkeit zur Metastasierung erwirbt. Wie erlangen aber manche Zellen diese Fähigkeit, während andere dies nicht tun? Und wie können wir sie frühzeitig erkennen und stoppen? Die Antwort könnte in einer tiefgehenden Analyse der pathologischen Mechanismen einzelner Zellen liegen, und wie diese mit benachbarten Zellen kommunizieren.

Seit mehr als drei Jahrzehnten nutzt Yokogawa effektiv das ausgeprägte Know-how des Unternehmens in den Bereichen Mess- und Regeltechnik und Informationstechnologien, um Assets und Systeme zu entwickeln, die eines Tages tatsächlich die Analyse des Inneren einzelner lebender Zellen ermöglichen würden. Die von Yokogawa erstmals im Jahr 1996 kommerzialisierte bahnbrechende konfokale Dual-Spinning-Disk-Technologie hat dem Unternehmen einen entscheidenden Vorteil auf dem Markt verschafft und es an den Rand eines historischen Erfolges katapultiert.

Die Kombination dieser Technologie mit der ebenfalls von Yokogawa entwickelten CellPathfinder-Software, die über ausgefeilte Deep-Learning-Funktionen verfügt, ermöglicht die Erfassung von detaillierten Daten zu Positionen und Morphologie, Aspekten wie der Zellform, -gestalt, -struktur und -größe, aus nur einer kleinen Probe von Zellen. Die 3D-Bildgebung, die sich durch eine geringe Photobleichung und eine geringe Phototoxizität auszeichnet, ermöglicht eine genaue Erfassung und Analyse von Zellbildern und die akkurate Definition der Target-Zelle und des Zellstandorts. Darüber hinaus können selbst kennzeichnungsfreie Bilder, die aufgrund von Einschränkungen bei der Hellfeldanalyse schwierig zu analysieren sind, schnell und mit hoher Erkennungsgenauigkeit ausgewertet werden.

Neben der fortschrittlichen Bildgebungstechnologie entwickelt Yokogawa auch vollautomatische Geräte für das Einsammeln einzelner Zellen. Das in Kürze auf den Markt kommende Gerät zur Entnahme von Zellproben ist mit einer Mikropipette ausgestattet, einem Röhrchen mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern. Mit einer noch kleineren Pipette, der Nanopipette, können sogar auch noch kleine Zellbestandteile aufgesammelt werden. Bislang musste dieser Prozess von Hand durchgeführt werden. Selbst erfahrene Forscher benötigten hierfür mindestens 30 Minuten pro Zelle. Die Fähigkeit, Zellen und Zellbestandteile automatisch zu entnehmen, wird wesentlich dazu beitragen, die Forschungsarbeit im Bereich der Entwicklung von Arzneimitteln zu beschleunigen.

Wenn Wissenschaftler in der Vergangenheit die Reaktion von Zellen auf ein Virus testen wollten, mussten sie das Virus „nach dem Zufallsprinzip“ über alle im Kulturmedium befindenden Zellen „verstreuen“. Dadurch war es sehr schwierig, genau zu wissen, welche Zellen infiziert worden waren. Mit der SU10 Single Cellome Unit von Yokogawa hingegen können Medikamente und andere Substanzen automatisch mit einer Nanopipette in individuelle Zellen injiziert werden, was zu einem hohen Maß an Präzision und Effizienz führt. Damit können auch antivirale Medikamente injiziert und deren Wirksamkeit bewertet werden.

Diese und andere Spitzentechnologien werden nun die Tür zu Experimenten öffnen, die in der Vergangenheit nicht realisierbar waren, und werden sich als enorm hilfreich für biowissenschaftliche Anwendungen erweisen, wie z. B. die Erforschung neuer Arzneimittel und die Identifizierung der Ursachen von Krankheiten.

„Nur wer das Risiko eingeht, zu weit zu gehen, kann herausfinden, wie weit man überhaupt gehen kann.“
-T.S. Eliot, amerikanischer/britischer Dichter, Vorwort zu Transit of Venus: Poems (von Harry Crosby, 1931)

Diese Technologien unterstützen Forscher in den USA und Großbritannien, die an vorderster Front bei der Erforschung des neuartigen Coronavirus stehen. Sie werden verwendet, um den Prozess der Virusinfektion zu beobachten und um zu sehen, wie sich menschliche Zellen vor Schäden schützen. Sie sind auch nützlich bei der Erforschung des Lebenszyklus des Virus und bei der Erforschung und Entwicklung von Medikamenten, von denen angenommen wird, dass sie bei der Bekämpfung des Virus wirksam sein können.

Unsere Welt ist heute vor allem von Unsicherheit geprägt. Die Coronapandemie hat viele Industrien schwer getroffen. Sie hat unser tägliches Leben maßgeblich verändert und die Gesellschaft in ihren Grundfesten erschüttert. Der Großteil der Menschen auf der Welt ist weitreichenden Einschränkungen im Alltag unterworfen. Dinge, die wir immer als selbstverständlich angesehen haben, werden nun als verlorene Freiheiten beklagt. Die Welt wurde gezwungen, sich in bislang nie dagewesener Weise zu verändern, was zu einem Wandel unserer Wertvorstellungen und unseres Bewusstseins für unser Handeln geführt hat.

Seit der Gründung von Yokogawa vor mehr als einem Jahrhundert betrachten wir es als unsere Unternehmensmission, einen wertvollen Beitrag zur Gesellschaft zu leisten. Man könnte sogar sagen, dass dies unser eigentlicher Existenzzweck ist. Yokogawas überlegene technologische Fähigkeiten und die tiefgehenden Einblicke des Unternehmens haben es möglich gemacht, für die Gesellschaft wichtige Innovationen zu erzielen. Und während die aktuellen Bedingungen viele Unternehmen dazu gezwungen haben, ihre eigene Daseinsberechtigung zu überdenken, befindet sich Yokogawa in einer vorteilhaften Stellung, da wir uns bereits seit vielen Jahren der Anwendung unserer technischen Expertise zur Lösung sozialer Probleme verschrieben haben.

Yokogawa unterstützt auch weiterhin das unermüdliche Bestreben von Forschern auf der ganzen Welt. Das Unternehmen ist dabei der Ansicht, dass es seine Aufgabe innerhalb der Gesellschaft ist, mit der ganzen aus seinem technologischen Know-how gewonnenen Kraft dazu beizutragen, dass auch zukünftige Generationen Gesundheit und Wohlstand genießen dürfen. Und unser hohes Maß an Motivation und die Fähigkeit unseres Unternehmens, tatsächlich Dinge zu verändern, bleiben ungebrochen. Mit Hoffnung blicken wir in die Zukunft, in Erwartung der Lösungen, die die Welt benötigen wird, um die neuen Herausforderungen zu meistern, welche die Zukunft uns offenbaren wird.

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Referenzen

*1 : “Plague was one of history’s deadliest diseases — then we found a cure”; National Geographic Online, Juli 2020
*2 : DNA = desoxy ribonucleic acid (Desoxyribonukleinsäure, dt.)
*3 : RNA = ribonucleic acid (Ribonukleinsäure, dt.)
*4 : “What Are Humans Made Of?”; Earth.com, August 2019