Mess- und Prüftechnik 19.02.1999, 17:20 Uhr

Kleine Chips wecken große Hoffnung

Überall da, wo Erbsubstanz analysiert werden soll, setzen die Forscher große Hoffnungen auf sogenannte Biochips. In der medizinischen Diagnose, bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms, sogar in der Lebensmitteltechnik und im Umweltschutz sollen die Chips schnelle und exakte Ergebnisse liefern.

Das Prinzip der Biochips ist einfach: Auf Chips von etwa 1 cm2 Größe wird Erbmaterial, dessen Aufbau bekannt ist, in kleinen Stücken aufgetragen. Durch eine biochemische Reaktion wird dieser DNS-Teil mit einer Probe versetzt, die Erbmaterial enthält, dessen Aufbau unbekannt ist. Paßt die DNS aus der Probe zu der auf dem Chip, kommt es zu einer biochemischen Paarung und zu einem analytisch auswertbaren Signal, herkömmlicherweise einem Fluoreszens- oder einem radioaktiven Signal.
Diese Chiptechnologie, die anfangs von Wissenschaftlern mit Skepsis betrachtet wurde, weckt nun auch zusehends in der Fachwelt reges Interesse. In Amerika ist der Biochip schon längst kein exotisches Thema mehr, nun zieht auch Europa langsam nach. Mit einigen Jahren Verspätung entstehen Firmen, werden Forschungsgelder vergeben und hält das Thema Einzug in die Hochschulen.
Auch in Deutschland werden im Moment sehr viele Verfahren entwickelt, um die lebende Materie auf den Chip, meist aus Silizium oder Polypropylen, zu bannen. Die einen synthetisieren photolithographisch gesteuert, andere naßchemisch das Molekül direkt auf dem Chip. Wieder andere „bauen“ erst das Molekül und binden es dann biochemisch als ganzes auf die gläserne oder Kunststoff-Unterlage. Welches Verfahren sich behaupten oder ob sich eines der Verfahren überhaupt durchsetzen wird, weiß noch keiner zu sagen. „Wahrscheinlich werden sich mit der Zeit verschiedene Herstellermethoden auf die Anforderungen der Anwender spezialisieren“, so Dr. Jörg Hoheisel, Leiter des Abteilung Funktionale Genomanalyse im Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. auf einer Tagung der Dechema kürzlich in Frankfurt.
Auf einem Chip können sehr viele Moleküle fixiert werden – mehrere zehntausend auf sogenannten „high density arays“. Deshalb ist es möglich, mit einem Analysengang quasi Tausende von Analysen parallel durchzuführen und so eine außerordentlich große Menge an Information zu erhalten, mehr als ohne die Chiptechnologie jemals möglich wäre.
An dieser Stelle ist die Bioinformatik gefordert. Die Informationen sind bis dahin noch rohe Daten, die mit passenden Rechnerprogrammen ausgewertet werden müssen. Hier besteht noch ein deutlicher Engpaß in der Chiptechnologie, da die Auswertung und Interpretation der Daten wesentlich mehr Zeit erfordern, als die Analyse selbst.
Viele Forscher aus dem medizinischen und pharmazeutischen Bereich arbeiten mit Biochips, auf denen das Hefe-Genom fixiert ist. Hefen mit ihren insgesamt rund 6000 Genen zu untersuchen, ist natürlich eine weit weniger komplexe Aufgabe als die Untersuchung der menschlichen Gene. In den Labors von Novartis oder der Bayer AG sind die Chips schon ein fester Bestandteil der Forschung geworden. Hier erhofft man sich von der neuen Technologie unter anderem wichtige Aufschlüsse über Erbkrankheiten oder Krebserkrankungen und die Wirkmechanismen neuer Medikamente. Dr. Stefan Wohlfeil, Leiter der Abteilung Antiinfektiva bei der Bayer AG Wuppertal, schätzt, daß die Technik der Biochips in drei bis fünf Jahren in der Pharmazie routinemäßig angewendet wird.
Zur Zeit werden DNS-Chips für ganz verschiedene Anwendungsgebiete entwickelt. Ein Beispiel aus der Tumorforschung beschäftigt sich mit der Analyse der Genkopienzahl. Ist diese bei Genen, die für die Zellteilung verantwortlich sind, erhöht oder vermindert, so ist das ein wesentlicher Faktor für die Entstehung von Krebszellen. Durch eine quantitative Analyse der betreffenden Gene mit dem Biochip kann die Entstehung von Krebszellen frühzeitig erkannt werden.
Ein neuer Forschungszweig der Pharmazie, die Pharmakogenomik, geht davon aus, daß jeder Mensch durch kleine Veränderungen im Erbgut „seine eigene Krankheit“ besitzt und deshalb auch eine individuelle Behandlung benötigt. Gerade in der Onkologie sprechen oft nur 20 % bis 30 % der Patienten auf spezielle Wirkstoffe an, die anderen 70 % können sie, oft genetisch bedingt, nicht verwerten. Die Menge an Information, die notwendig ist, um die Ursachen dieses Problems zu finden, kann man nur mit Hilfe der Chips ohne allzu großen Aufwand erhalten.
Wie aber ist mit den DNS-Chips, sofern sie erst einmal einsatzbereit sind, umzugehen? Prof. Claus Bartram, Direktor des Instituts für Humangenetik und Anthropologie der Universität Heidelberg betont, daß durchaus Vorsicht geboten ist: „In den USA geht zwar vieles schneller, aber nicht unbedingt besser.“ So sei von einer der führenden US-Biotech–Firmen auf diesem Gebiet ein Chip entwickelt worden, der Mutationen im sogenannten BRCA1-Gen (breast cancer 1) entdecken kann , die für den Brustkrebs verantwortlich sind. Dieser Test wurde auf den Markt gebracht und in vielen Arztpraxen angewandt. Ärzte stellten mit Hilfe des Chips bei ihren Patientinnen die Diagnose, sie seien Brustkrebs-gefährdet. Viele der betroffenen Frauen gerieten daraufhin in Panik und ließen sich ihre gesunden Brüste amputieren. Dieses Beispiel zeige, so Bartram, daß frühzeitig genau geregelt werden muß, wo, von wem und zu welchem Zweck ein Chip eingesetzt werden darf.
Die Anwendungsgebiete der Biochips erstrecken sich weit über die Medizin und Pharmazie hinaus. Überall, wo Gene eine Rolle spielen, sind sie einsetzbar. In der Lebensmittelindustrie beispielsweise können sie zur Identifizierung gentechnisch veränderter Lebensmittel eingesetzt werden. So sind Salmonellen schon in kleinen Mengen über ihre DNS leicht aufzuspüren. Auch der Umweltschutz sieht Möglichkeiten, den Biochip einzusetzen. So arbeitet Hoheisel an der Entwicklung von Biochips zur Analyse von Bakterien im Klärschlamm.
Weltweit, so Hoheisel, kann man allerdings noch immer nicht von einer wirklichen Chiptechnologie sprechen. Vieles ist noch im Versuchsstadium, die Automatisierung der Technologie ist noch wenig gereift. Außerdem sind die Chips im jetzigen Stadium noch deutlich zu teuer. Um sie in der Routineanalytik nutzen zu können, müßte ihr Preis etwa um den Faktor 1000 sinken.
Auch die Validierung von Analysenmethoden dürfte noch einige Zeit dauern, im Moment haben die Chips oft keine ausreichende Qualität, um damit wirklich präzise Analysen durchzuführen. Daher ist es wahrscheinlich, daß die Chips zunächst auf Gebieten wie der Umweltanalytik eingesetzt werden, lange bevor sie in der medizinischen Diagnostik zugelassen sind.
Dennoch wird die DNS-Chiptechnologie die medizinische Forschung verändern und zu neuen pharmazeutischen Strategien führen. Auch die Entschlüsselung des menschlichen Genoms wird durch die Chiptechnologie schneller. Viele Forscher halten die Frucht vor dem gläsernen Menschen jedoch für unbegründet. „Selbst wenn wir alle Gene des Menschen sequenziert haben“, so Bartram, „haben wir noch lange nicht alles verstanden, was in der menschlichen Zelle auf genetischer Ebene vor sich geht.“
CLAUDIA RINCK
Überall, wo Gene eine Rolle spielen, sind Biochips einsetzbar. In Lebensmitteln können sie unerwünschte Keime oder Fremdgene aufsprüen, in der Medizin mutierte Gene identifizieren.

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