Ein Glas Hoffnung

Täglicher Kampf gegen Krankheiten

Biologie ist nicht immer planbar. Dr. Christoph Schröder sieht dies jeden Morgen beim Frühstück mit der Familie. Statistik zum Trotz sitzen drei Jungs am Tisch; kein Mädchen. Der Wissenschaftler schmunzelt und zuckt mit der Schulter. Die Kinder sind der lautstarke Beleg, dass zur Laune der Natur Überraschungen gehören.

Nach dem gemeinsamen Frühstück macht sich der Molekularbiologe auf den Weg ins Neuenheimer Feld, dem Campus mit vielen naturwissenschaftlichen Instituten, Forschungszentren und Universitätskliniken. In einem Gebäude im dort angesiedelten Technologiepark ist er angekommen. Schröder schließt die Glastür auf. Er ist Geschäftsführer des auf Protein- Microarrays spezialisierten Biotechnologie-Unternehmens Sciomics, das er 2013 gegründet hat. Gemeinsam mit einem elfköpfigen Team untersucht er Proteinveränderungen, die einen Hinweis auf bestimmte Erkrankungen geben. Mit Hilfe von komplexen Antikörper-Microarrays bietet das Start-up innovative Serviceleistungen für die medizinische Forschung, Diagnostik und Industrie an.

„Zu wissen, dass wir mit wissenschaftlichen Erkenntnissen helfen können, etwas gegen Krebs und andere Krankheiten zu tun, motiviert uns alle jeden Tag“, sagt Schröder. „Aber wir sind uns auch bewusst, dass es noch ein weiter Weg ist, bis Ergebnisse beim Patienten ankommen.“

Medizinische Forschung mit Start-up Flair

Mitten auf dem Campus hat Sciomics ein helles Untergeschoss angemietet. Die Büros sind mit viel Liebe und im Stil eines innovativen Start-ups eingerichtet. An den Wänden hängen Plakate mit Analyse-Charts, Protein-Verteilungen und Flyern mit Studienergebnissen. Im Flur stehen rote, gelbe und grüne Sessel, deren Farben sich im Firmenlogo widerspiegeln und außerdem an die Proteinanalyse mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen erinnern.

Mit seinem Laborbereich unterscheidet sich Sciomics von anderen Startups, wie sie in der IT-Branche zu finden sind. Dennoch ist der Unternehmergeist deutlich in der täglichen Arbeit spürbar. 

Der 33-jährige Chemiker leitet die Auftragsforschung von Sciomics. Wer die Geschäftsgrundlage von Sciomics verstehen möchte, muss fast zwanzig Jahre zurückblicken – und den Ort wechseln. Zwei Gebäudeblocks entfernt sind die Laboreinrichtungen von Dr. Jörg Hoheisel. Der Leiter der Abteilung Funktionelle Genomanalyse am Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg war bei der Entwicklung von Microarray-Analysen ein entscheidender Vordenker. Er ist einer der führenden Wissenschaftler auf diesem Gebiet. Hauptmotivation seiner Arbeit sei der Erkenntnisgewinn, betont der 59-Jährige. Eine neue Methode zu finden, käme häufig vor konkreten Überlegungen, wofür man diese anwenden könne.

Die Entwicklung einer Methode zur Sequenzierung der menschlichen Erbsubstanz im Zuge seiner Arbeit am Imperial Cancer Research Fund in London war der Grund, warum sich Hoheisel mit Microarray-Entwicklung beschäftigte. Diese Arbeit setzt er seit 1993 am DKFZ fort.

Die Wissenschaft hinter Antikörper-Microarrays

Dass Objektträger aus Glas dabei eine Hauptrolle spielen würden, war schnell klar. Das Grundprinzip von Antikörper- Microarrays ebenfalls. Oberflächen-gebundene Proteine werden als fluoreszierende Lichtpunkte nachgewiesen. Das entstandene Muster lässt Aufschlüsse darüber zu, ob bestimmte Proteine stark, schwach oder gar nicht in der Patientenprobe präsent sind. So können Biomarker gefunden werden, die bei der Diagnose und Therapie helfen sollen. Auch bei der Früherkennung könnten sie für einen entscheidenden Zeitgewinn sorgen.

Dazu werden auf den Objektträger bekannte Proteine oder Antikörper in einem Raster kleiner, nur wenige Mikrometer großer Punkte aufgetragen. Auf einen Objektträger können tausende Tröpfchen aufgebracht und gleichzeitig analysiert werden. Die Proteine aus Krebsgeweben oder Serum- und Urinproben werden mit Fluoreszenz-Farbstoff behandelt und dann ebenfalls auf den präparierten Objektträger gegeben.

Die Bindungsereignisse, die anschließend stattfinden, lassen sich anhand der eingescannten Microarrays am Computer-Bildschirm in roten und grünen Punkten visualisieren. Ziel soll sein, auf diesem Weg bereits vor Ausbruch der Krankheit Anzeichen der Krebserkrankung im Blut nachzuweisen. „Krebs ist eine genetisch bedingte Krankheit, ein Fehler in der Erbsubstanz“, so Dr. Hoheisel. 

Biomarker helfen nicht nur bei der Diagnose oder der Prognose, sondern auch bei der Vorhersehbarkeit möglicher Wirkungen eines therapeutischen Eingriffs. Was einfach klingt, ist ein hochkomplexes, wissenschaftliches Verfahren. Es erklärt die lange Entwicklungsarbeit der Antikörper-Microarrays. Zahlen unterstreichen die Dimensionen. Obwohl es „nur“ etwa 22.000 Gene in der menschlichen Erbsubstanz gibt, erhöhen Modifikationen die Zahl verschiedener Proteine auf eine Million. Eine geschätzte Zahl, die erklärt, welche Sisyphusarbeit hinter, aber auch noch vor den Forschern liegt. Manche Proteine treten nur an bestimmten Bereichen auf, einige an den Zellwänden, einige an Membranen, manche im Kern, andere außerhalb, einige ändern ihr Verhalten immer wieder.

„Das macht es wirklich kompliziert“, sagt Hoheisel, der bei der Entwicklung von Schröder unterstützt wurde. Im Rahmen seiner Diplomarbeit untersuchte der heutige Geschäftsführer von Sciomics zwölf verschiedene Oberflächen für die Analyse. NEXTERION® Objektträger von SCHOTT kamen den Wunschvorstellungen von Beginn an am nächsten. Die Optimierung erfolgte zusammen mit dem Spezialglashersteller im Rahmen seiner Promotion und später als Wissenschaftler am DKFZ. „Wir haben Hand in Hand gearbeitet“, erinnert sich Schröder an das Entwicklungsprojekt.

Mit dabei war auch Dr. Mohamed Alhamdani vom DKFZ. „Es hat sich schnell herausgestellt, dass die Epoxysilane Beschichtung für unsere Anforderungen die beste ist“, sagt der Gruppenleiter im Bereich Funktionelle Genomanalyse. „Aber das Rauschen bei Analysen war noch zu hoch; mit Hilfe von SCHOTT haben wir dann die Beschichtung optimiert.“

Forschung mit Glas vorantreiben

Dass der Werkstoff Glas helfen kann, beweist SCHOTT auch in anderen Life-Science-Bereichen. Mit Spezialglas für pharmazeutische Verpackungen über modernste faseroptische Systeme und Beleuchtungslösungen für Analysegeräte bis zum bioaktiven Glas bietet SCHOTT zukunftsweisende Produkte für verschiedenste medizinische Anwendungen.

Das hochwertige Trägermaterial und eine breite Beschichtungskompetenz haben bei der Entwicklung der Antikörper-Microarrays entscheidend dazu beigetragen, zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse zu bekommen, welche Grundlage für die Entwicklung sowohl neuer Diagnostika als auch Therapeutika sind. Denn Antikörper-Arrays sind ein ausgefeiltes Werkzeug. Um aussagekräftige Ergebnisse zu bekommen, ist ein gutes Grundmaterial entscheidend.

Proteine haben die unangenehme Eigenschaft, dass sie ziemlich unspezifisch binden. Wenn zum Beispiel 10.000 mikroskopisch kleine Antikörpertröpfchen auf das Glas aufgebracht werden, sollen sie nur an der gewünschten Stelle haften bleiben und nicht mit der Beschichtung im Umfeld reagieren. Auch in der anschließenden Inkubation der Microarrays mit Proteinen aus Krebszellen, Blut oder Urin sollen die Moleküle nur an den vorgesehenen Stellen an die Antikörper binden.

„Zwischen den Belegpunkten darf es kein Signal geben. Mit NEXTERION®-Objektträgern haben wir das erreicht, was wir zuvor mit keinem anderen Produkt geschafft haben“, sagt Hoheisel. „Es funktioniert super. Mittlerweile wenden wir diese Methode an, um biologische Informationen zu erhalten.“

Wissenschaftliche Erfolgsgeschichte

Das gilt auch für Sciomics, die die Biomarker-Signatur mit Hilfe von Antikörper-Microarrays zur Marktreife entwickelt und daraus ein erfolgreiches Geschäftsmodell gemacht hat. Das immense Potenzial der Methode zeigte sich bereits während der Entwicklung und hat zu zwei wertvollen Patenten geführt: einer Diagnosemöglichkeit von Bauchspeicheldrüsenkrebs und der Prognose bei Blasenkarzinom. Durch entsprechende Aufträge hat sich Sciomics bereits in den Anfangsjahren selbst finanziert. Zum Kundenkreis gehören akademische Gruppen, große weltweite Forschungsinstitute, aber auch Unikliniken, forschende Ärzte sowie Biotechnologie- und Pharmaunternehmen.

Unterschiedliche Probleme, unterschiedliche Lösungen

„Wir haben nicht den typischen Kunden“, erzählt Schmidt. „Jedes Projekt hat eine komplett unterschiedliche Fragestellung. Mit Hilfe unserer Plattform sind wir in der Lage, auf eine Vielzahl von biomedizinischen Studien und Krankheiten einzugehen. Häufig ergibt sich in den Projekten dann auch eine gemeinsame Weiterentwicklung mit unseren Kunden.“

Von Beginn an war Sciomics dabei sehr international unterwegs. Weniger als zehn Prozent des Umsatzes wurde in diesem Jahr bislang in Deutschland erwirtschaftet. Sciomics verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz. Microarrays werden nicht nur produziert und an den Kunden übergeben. Stattdessen versteht sich Sciomics als wissenschaftlicher Partner, der seine Kunden bei der Planung der Studien unterstützt, diese im Auftrag ausführt. „Von anderen bekomme ich ein Angebot, von Sciomics eine Lösung“, hört Schröder immer wieder. Jeder Kunde sei ein Partner, der intensiv betreut werde. Dazu gehöre beispielsweise am Ende auch das Erstellen eines umfangreichen Studienberichtes auf wissenschaftlichem Niveau.

Die Analysemethode von Sciomics

„Das ist unser Alleinstellungsmerkmal“, weiß Schmidt. Die Hauptarbeit der Wissenschaftler beginnt, wenn die Microarrays eingescannt sind. Jeder kleine Farbpunkt besteht aus vielen Pixeln. Zu jedem Pixel gibt es einen Zahlenwert, der die Intensität beschreibt. Pro Microarray werden 500.000 Zahlen ermittelt. Bei 50 Proben bedeutet dies 25 Millionen Datenpunkte. Diese richtig zuzuordnen und zu interpretieren, ist dann die Aufgabe von Schmidt und der Molekularbiologin Camille Lowy.

„Gegenüber anderen Proteom- Analysetechniken ermögliche die Sciomics-Methode hochparallel robuste Analysen verschiedener Parameter an vielen Molekülen in winzigen Volumina“, so Lowy.

Verschiebung des Zeitpunkts der Frühdiagnose

Für das DKFZ und Sciomics steht fest, dass Antikörper-Microarrays der Schlüssel zu weiteren Erkenntnissen sein werden. Ziel ist es, die Diagnose so weit nach vorne zu verlegen wie möglich und mit einer Prognose zu verbinden. „Wie früh vor der eigentlichen Erkrankung sehen wir ein entsprechendes Muster bei den Biomarkern, so dass wir sagen können: ja, da entwickelt sich ein Tumor“ sagt Hoheisel.

Den gleichen Ansatz verfolgt Dr. Christoph Schröder. „Wir wollen viele Proteine aus Blutproben gleichzeitig messen, um schnellere und spezifischere Diagnosen erzielen zu können“, so der Sciomics-Geschäftsführer.

Bis zu personalisierter Medizin sei es zwar dennoch ein langer Weg, aber Patienten könnten individueller behandelt werden, da eine Einteilung in feinere Gruppen möglich wäre. Innovative Verpackungslösungen, die selbst kleinste Losgrößen ermöglichen, schaffen dafür die Voraussetzungen. Die Ready-to-use-Plattform iQ™ von SCHOTT setzt genau hier an.

Zukunft der biowissenschaftlichen Forschung

Kleinere Formate der Microarrays oder dreidimensionale Oberflächenstrukturen – Ansatzpunkte für Technologiesprünge gibt es viele. „Wir sind dankbar, dass es Hersteller wie SCHOTT gibt, die hier sehr aktiv sind“, sagt Schmidt. „Gemeinsam können wir viel erreichen.“

Durch optimierte Oberflächen könnten beispielsweise die Sensitivität der Arrays, die Reproduzierbarkeit sowie die Bindekapazität erhöht werden. Die Folge: Die Signalintensität steigt und das Ergebnis lässt immer feinere und exaktere Aussagen zu. Das wären wieder kleine, aber wichtige Schritte im Kampf gegen den Krebs.

Ein wichtiges Marketinginstrument ist für Sciomics, aber auch für das DKFZ, der Besuch von Konferenzen oder von Kunden und Kooperationspartnern. Häufig zusammen mit Kunden. Auf einer Weltkarte hat Schröder daher die Orte mit Nadeln markiert, die er dazu bereits besucht hat. Urlaubsorte fehlen. „Dafür bleibt kaum Zeit", so Schröder, erzählt dann aber, dass er demnächst mit der Familie einige Tage Urlaub auf dem Bauernhof macht. Und wenn er dort seine Jungs toben sieht, weiß er ganz genau, was seine tägliche Forschungsarbeit für künftige Generationen bedeutet: neue Hoffnung.

Verwendete Materialien 

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