Andreas Hierlemann, Professor und Vorsteher des Departements Biosysteme der ETH Zürich in Basel, hat im Grenzbereich zwischen Elektronik und Biochemie geforscht. Dieser Tage ist er hierfür mit dem deutschen Dechema-Forschungspreis ausgezeichnet worden.
Der Dechema-Vorsitzende Hans Jürgen Wernicke (links) übergibt den Preis an Andreas Hierlemann von der ETH Zürich
Den diesjährigen Dechema-Preis der Max-Buchner Forschungsstiftung erhält Hierlemann für seine Arbeiten an den Schnittstellen von Mikroelektronik, Chemie und Biologie. Die Auszeichnung ist mit 20'000 Euro dotiert und wird jährlich von der deutschen Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie (Dechema) vergeben.
Kopplungsstück zwischen Elektronik und Biologie
Sinnbild für Hierlemanns interdisziplinäre Forschung sind die von ihm entwickelten Computerchips, mit denen die elektrischen Signale von biologischen Zellen in Zellkultur gemessen werden können. So gross wie ein Einfrankenstück ist die Zellkulturschale, die auf einer Elektronikleiterplatte befestigt ist. An deren Rand sind Anschlüsse für eine Computerverbindung sichtbar, und in der Mitte der Schale befindet sich ein 2 mal 2 Millimeter grosses Sensorfeld mit – für das blosse Auge unsichtbar – 11'000 honigwabenartig angeordneten Elektroden.
Forscher können in dieser Schale Zellen wachsen lassen, die elektrische Signale erzeugen, etwa Nervenzellen, und deren Signale messen. Von den 11'000 Elektroden können sie 126 gleichzeitig ansteuern und somit bis zu 126 Zellen abhorchen. Zudem ist es mit dem Chip möglich, eine einzelne Zelle mit einem elektrischen Puls anzuregen, und die durch den Puls hervorgerufenen Nervenzellenaktivität zu messen. Der Chip ist somit ein Interface, ein in beide Richtungen übertragendes Kopplungsstück zwischen belebter und digitaler Welt. Entwickelt worden ist er in enger Zusammenarbeit unter anderem von Elektroingenieuren, Mikrotechnologen und Zellbiologen. Lesen Sie auf der nächsten Seite: Was Roche mit dem ETH-Chip erforscht
Die Entwicklung des Chips begann vor rund zehn Jahren. Mittlerweile kommt dieser auch an anderen Hochschulen und in der Industrie zum Einsatz. Eine Forschungsgruppe an der Universität Lyon nutzt den Chip beispielsweise zur Erforschung von Zahnschmerz, und die Pharmafirma Roche untersucht damit die Grundlagen von Gehirnerkrankungen, wie etwa der Schizophrenie.
Sehr hohe Auflösung
Forscher legen dazu Dünnschnitte des Gehirns von gesunden und kranken Ratten auf den Chip und können so quasi bildlich festhalten, wie sich die Ausbreitung elektrischer Signale im Gehirn gesunder und kranker Ratten unterscheidet. Auch können sie untersuchen, ob sich die Signalausbreitung in einem kranken Gehirn mit pharmakologischen Mitteln derjenigen von einem gesunden Gehirn angleichen lässt. Den Forschern steht so ein bildgebendes Verfahren zur Verfügung mit einer extrem hohen Zeit- und Ortsauflösung bis hin zu Komponenten einzelner Zellen.
In der Grundlagenforschung und beim Testen pharmakologischer Wirkstoffkandidaten sieht Hierlemann das Hauptanwendungsgebiet für seinen Chip. Derzeit stehen dabei Zusammenarbeiten mit Forschungspartnern im Vordergrund. Um den Chip zu kommerzialisieren, sei es noch zu früh, sagt der ETH-Professor. Er und seine Mitarbeiter sind derzeit daran, den Prozessor zu verbessern. Konkret soll die Messfläche und die Zahl der Elektroden verdoppelt werden, und es soll künftig möglich sein, 1000 anstatt nur 126 Elektroden gleichzeitig auszulesen.
