Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sortieren und Separieren für einzelne biologi
sche Objekte. Die Objekte sind hierbei auf einem festen planaren Träger nebeneinander
angeordnet. Mit diesem Verfahren können aus einer sehr großen Zahl von Objekten
(z. B. 105-109) einzelne Objekte räumlich abgetrennt und ausgesondert werden. Die
Abtrennung von gehäuften Zellen als Gesamteinheit ist ebenso möglich. Ebenso kann das
Verfahren zur Separation von spezifischen Zellen aus Gewebeschnitten eingesetzt wer
den. Voraussetzung dafür ist die vorherige Erkennung und Selektion der betreffenden
Objekte aufgrund spezifischer analytischer Eigenschaften (z. B. durch Fluoreszenzspekt
roskopie oder durch radioaktive Markierung). Unter "biologischen Objekten" werden im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung vor allem (lebende) biologische Zellen verstanden.
Zur Separation einzelner biologischer Objekte lassen sich Objekte mit optischen Metho
den, wie der optischen Pinzette (Optical Tweezer), in einer wässrigen Lösung bewegen
(K. Schütze, A. Clement-Sengewald, Nature, 667 (Vol. 368) 1994). Das diesen opti
schen Pinzetten (Optical Tweezer) zugrundeliegende Prinzip bzw. der Aufbau entspre
chender Laser-Mikrodissektions- oder Laser-Mikromanipulatorvorrichtungen ist bei
spielsweise auch in "Application of Laser Optical Tweezers in Immunology and Molecu
lar Genetics" (S. Seeger, S. Monajembaslai, K.-J. Hutter, G. Futterman, J. Wolfram,
K. O. Greulich), Cytometry 12 (1991), Seiten 497-504 oder in "Laser micromanipulators
for biotechnology and genome search" (N. Ponelies, J. Scheef, A. Harim, G. Leitz,
K. O. Greulich), Journal of Biotechnology 35 (1994), Seiten 109-120 und in "The light
microscope on its way from an analytical to a preparative tool" (K. O. Greulich, G. We
ber), Journal of Microscopy 167 (1992), Seiten 127-151 sowie in JP 07-031 459 A be
schrieben. Aufgrund der geringen Kraftübertragung ist diese Methode auf Objekte be
schränkt, die sich frei in der Lösung bewegen können. Da sich die sortierten wie die
unsortierten Objekte in der gleichen Lösung befinden, ist eine getrennte Kultivierung nur
mit zusätzlichem Aufwand erzielbar. Für eine getrennte Kultivierung müssen diese Zellen
mit einer anderen Methode, wie z. B. mit Nadeln, abgetrennt werden. Mit Mikroma
nipulatoren bewegte Nadeln, an denen die Zellen adherieren, werden auch als alleinige
Methode eingesetzt. Hierbei werden die Zellen direkt berührt und könnten somit mecha
nisch belastet werden. Beide Methoden sind verhältnismäßig zeitintensiv, so daß sie nicht
nur zur Bearbeitung einer Vielzahl von Objekten geeignet sind.
Zur Separierung einzelner Zellen aus einer großen Zahl (< 106), in einer Flüssigkeit
dispergierter, biologischer Objekte geeignete Trenn- bzw. Sortierapparate sind kommer
ziell erhältlich. Während bei der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS = Fluo
rescence activated Cell Sorter) elektrostatische Prinzipien zur räumlichen Separation zum
Einsatz kommen, arbeitet der magnetisch aktivierte Zellsortierer (MACS = Magnetic
Activated Cell Sorter) mit magnetischen Kräften. Hierbei liegen die Zellen jedoch nicht
auf einem planaren Träger nebeneinander. Überdies haben beide Methoden den Nachteil,
daß sich einzelne Objekte nur eingeschränkt (FACS) oder überhaupt nicht getrennt von
einander absondern lassen (MACS).
Die vorgestellten Methoden können keine Zellen aus einem Zellverband wie etwa einem
Gewebe lösen.
Ferner sind unter dem Namen "Ablative Photodecomposition" Verfahren bekannt, bei
denen mit gepulsten UV-Lasern, insbesondere mit Excimer-Lasern, ein gezielter Materi
alabtrag bei Polymeren erfolgt. Diese Verfahren können im weitesten Sinne als Ätzver
fahren angesehen werden. Ein ähnliches Verfahren, bei dem jedoch ein kontinuierlich
betriebener UV-Laser verwendet wird, wird in der 5 211 805 beschrieben.
Dieses Verfahren soll sich zur industriellen Bearbeitung von technischen Polymeren und
zur biomedizinischen Behandlung von biologischem Gewebe eignen. Hiermit ist ein Sor
tierprinzip verwandt, das mit Laserstrahlen die auf einem Träger befindlichen uner
wünschten biologischen Objekte mit hohen Strahlungsdosen zerstört, während die selek
tierten (erwünschten) Objekte zurück bleiben (US 4 624 915). Dieser Prozeß ist verhält
nismäßig aufwendig, um einzelne Objekte aus großen Populationen zu selektieren.
Aus der DE 35 09 273 A1 ist hinsichtlich der Bearbeitung von biologischem Material
mit gepulsten Lasern bekannt, die Laserpulse bis auf einen durch Beugungserscheinun
gen begrenzten Querschnitt zu fokussieren, wobei die Beugungsmaxima n-ter Ordnung (n
= 1, 2, 3 . . .) der Laserpulse zum Schneiden des biologischen Materials genutzt werden.
Hierzu kann als Energiequelle und Pumplaser ein Excimer-Laser mit einer Wellenlänge
im ultravioletten Bereich verwendet werden, wobei durch Nachschalten eines Farbstoff
lasers das Lasersystem in seiner Wellenlänge abstimmbar wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der räumlichen Separation ein
zelner biologischer Objekte, die nebeneinander auf einem planaren Träger ausgebracht
sind. Hierbei soll der Vorgang des Absonderns möglichst kurz (< 10 s) sein. Außerdem
soll der Prozess sehr zuverlässig und damit in einfacher Weise automatisierbar sein.
Gleichzeitig soll die Überlebensfähigkeit der biologischen Objekte in der Regel gewährt
bleiben; d. h. die biologischen Objekte sollen durch den Abtrennprozeß nicht geschädigt
bzw. beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Separieren und Sortieren
von auf einem planaren Träger angeordneten biologischen Objekten nach Anspruch 1
gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungs
formen der Erfindung.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Objektfeld des Trä
gers, auf dem sich das selektierte biologische Objekt befindet, mit einem Laserstrahl
durch Ausschneiden abgetrennt wird und durch einen Laser-induzierten Transportprozess
auf ein oberhalb oder unterhalb des Trägers und in der Nähe des Trägers angeordneten
Auffänger übertragen wird. Die erfindungsgemäße Lösung besteht also darin, daß die
biologischen Objekte in einem kleinen, vorzugsweise kreisförmigen Umfeld mitsamt dem
Träger von einem Laserstrahl ausgeschnitten werden und anschließend aus dem Träger
heraus auf einen in der Nähe angebrachten Auffänger geschleudert werden. Es wurde
beobachtet, daß die herausgetrennten Objektfelder dabei stets in Richtung des Laser
strahls beschleunigt werden. Eine physikalische Erklärung für diesen Laser-induzierten
Transportprozeß liegt möglicherweise in dem photokinetischen Impuls, der von dem Laserstrahl
auf das ausgeschnittene Objektfeld übertragen wird und damit für die Beschleu
nigung verantwortlich ist. Die räumliche Separ
ation der biologischen Objekte beruht also bei diesem Prozeß auf dem Ausschneiden der
gewünschten Objektfelder mit den vorher selektierten Objekten und ihrem Abtransport
zu einem in der Nähe befindlichen Auffängersubstrat.
Das Ausschneiden des Objektfeldes kann vorteilhaft in der Weise erfolgen, daß der La
serstrahl durch eine Relativbewegung von Laserstrahl und einer planaren Trägerfolie, auf
welcher die biologischen Objekte angeordnet sind, auf einer geschlossenen, das Objekt
feld einschließenden Kurve um das biologische Objekt herumgeführt wird. Alternativ
kann aber die Abtrennung eines Objektfeldes in Analogie zu einem Stanzprozeß auch so
durchgeführt werden, dass der das Objektfeld einschließende Schnittbereich durch eine
mit dem Laserstrahl beleuchtete, auf die Trägerfolie abgebildete Schlitzmaske simultan
belichtet wird.
Der Auffänger, welcher nachfolgend auch als Auffängersubstrat bezeichnet wird, soll in
unmittelbarer Nähe der Trägerfolie angeordnet werden, so dass die Transportwege bei
dem Separationsprozess kurz sind. Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Entfernung
0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm betrug.
Der Durchmesser des Objektfeldes mit dem selektierten Objekt kann aufgrund des
außerordentlich präzisen Schnittvorgangs sehr klein, d. h. in einem Bereich von 10 µm
bis 20 m, gewählt werden. Zum Ausschneiden wird vorzugsweise ein UV-Laser
verwendet, wobei der Laserstrahl fokussiert auf die Trägerfolie abgebildet wird.
Die Trägerfolie besteht dabei aus einer UV-absorbierenden Polymerfolie mit einer Dicke
zwischen 5 m und 15 m, deren Absorptionsverhalten an die Wellenlänge des UV-
Lasers angepasst ist, also zumindest in der Umgebung der Laserwellenlänge ein Absorp
tionsmaximum besitzt. Als besonders geeignet haben sich Polymerfolien erwiesen, die
mindestens 5 Gew.-% eines aromatischen oder teilaromatischen Polykondensats enthal
ten. Die geometrische Form des Auffängersubstrats
ist relativ unkritisch. Geeignet ist z. B. eine relativ dicke Folie oder Platte, die im
Abstand von 0,5 bis 10 mm oberhalb oder unterhalb von der Trägerfolie parallel
dazu angebracht wird. Das Auffängersubstrat kann aber auch als topfförmiger
Behälter ausgebildet sein. Insbesondere wird eine Mikrotiterplatte mit 90 bis 500
Vertiefungen (Wells) zur Aufnahme der Proben empfohlen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist die Platte oder Folie mit einer
adhäsiven Schicht versehen. Durch eine solche Klebeschicht können die abge
schleuderten Objektfelder auf dem Auffängersubstrat fixiert werden.
Zur Erkennung und Selektion der gewünschten biologischen Objekte auf der
Trägerfolie wird vorzugsweise die Methode der Fluoreszenzspektroskopie einge
setzt.
Alternativ können die biologischen Objekte mit Hilfe bekannter histochemischer
Farbreaktionen oder morphologischer visuell wahrnehmbarer Veränderungen er
kannt und anschließend selektiert werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung werden die biologischen Objekte mit einem
flüssigen, für die Laserstrahlung durchsichtigen Nähr- oder Puffermedium be
schichtet. Der Schnittvorgang und der Ablöseprozess des selektierten Objektfeldes
werden dadurch nicht beeinträchtigt.
Das erfindungsgemäße Separierverfahren wird vorteilhaft in einem abgeschlosse
nen System durchgeführt. Zu diesem Zweck wird sowohl die Trägerfolie mit den
zu sortierenden Objekten, als auch das Auffängersubstrat in einem geschlossenen
Behälter untergebracht, der ein UV-transparentes Fenster für den Laserstrahl be
sitzt.
Der Vorteil des Laser-induzierten Separationsprozesses von Zellen besteht in der
gezielten und gleichzeitig schnellen Manipulation von einzelnen Zellen im Ver
gleich zum Stand der Technik. Aufgrund des einfachen Prinzips ist der Prozeß
sehr robust und einfach zu handhaben und eignet sich daher zur Computerge
stützten automatischen Separation einer Vielzahl von biologischen Objekten. Ein
unter sicherheitstechnischen Aspekten wichtiger Vorteil liegt ferner darin, daß der
Separationsprozess in einem hermetisch abgeschlossenen System durchgeführt
werden kann, so daß die Umgebung vor pathogenen Zellen geschützt werden kann.
Außerdem werden die Zellen von Verunreinigungen aus der Umgebung geschützt.
Das Verfahren eignet sich prinzipiell zum Einsatz in Teilgebieten der Bio
technologie, wo spezifische Zelltypen angereichert werden sollen. Beispielsweise
können mit dem Green fluorescent Protein (GFP) als Reportergen transfizierte
Zellen identifiziert werden. Marshall et al. (Neuron, Vol. 14, 211-215 (1995)) be
nutzen z. B. die GFP-Methode, um die Expression von Ionenkanälen abzuschätzen.
Gemäß einer weiteren Anwendung können für neurologische Experimente aus Ge
hirngewebeschnitten z. B. Gliazellen separiert werden. Hierzu werden fluoreszenz
markierte Antikörper benutzt, um diese Zellen zu identifizieren. Zur Diagnose
könnten aus Gewebeschnitten Tumorzellen, die z. B. durch morphologische Ver
änderungen auffallen, isoliert werden. Hierzu wird der Gewebeschnitt auf die
Trägerfolie gelegt. Die herauszupräparierende Zelle wird durch einen Schnitt
durch das Gewebe und die Substratfolie separiert, so daß Zelle plus Substrat
material gemeinsam auf eine Unterlage transferiert werden. Diese Zellen werden
anschließend histologisch analysiert. Darüber hinaus können Bakterien mit spezifi
schen Eigenschaften wie z. B. Zitronensäureproduzenten auf ihre Leistungsfähigkeit
hin durch geeignete pH-sensitive Farbumschläge eines geeigneten Indikators er
kannt und anschließend aussortiert werden.
Im folgenden wird das Verfahren an Hand von Zeichnungen und Ausführungsbei
spielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Trägerfolie mit adherierten Bakterien
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Apparatur zur Durchführung des
Verfahrens
Fig. 3 und 4 das zugrundeliegende Sortierprinzip.
Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Bakterienpopulation 1, die planar auf einer 5 µm
starken Polyarylatfolie 2 (Trägerfolie) ausgebracht ist. Zum Sortiervorgang wird
die Trägerfolie 2 in einen Schiebetisch 3 eingelegt und mechanisch fixiert. Dieser
Tisch befindet sich gem. Fig. 2 als Objekttisch in einem inversen Mikroskop 4 und
kann z. B. mittels eines Computergesteuerten Schrittmotors in x,y-Richtung
(Horizontalebene) positioniert werden. Im Schiebetisch 3 ist ferner gegenüber der
Trägerfolie 2 im Abstand von 1,8 mm ein plattenförmiges Auffängersubstrat 5
gehaltert. Bei einer Bewegung des Schiebetisches 3 werden also gleichzeitig die
Trägerfolie 2 und das Auffängersubstrat 5 senkrecht zum Strahlengang (z-
Richtung) im Mikroskop verschoben. Der Schiebetisch 3 mit der Trägerfolie 2 und
den darauf befindlichen biologischen Objekten 1, sowie das Auffängersubstrat 5
sind von einem geschlossenen Gehäuse mit einem UV-durchlässigen Fenster für
den Laserstrahl umgeben (nicht dargestellt), so daß das Verfahren in einem
hermetisch abgeschlossenen System durchgeführt werden kann.
Als Trägerfolie für die biologischen Objekte wird eine 5 µm bis 15 µm dicke,
UV-absobierende Polymerfolie aus einem Polymer verwendet, das mindestens
5 Gew.-% eines aromatischen oder teilaromatischen Polykondensates, wie z. B.
Polycarbonate, Polyurethane, Polyarylate, Copolyester, Polyestercarbonate oder
Blends aus diesen Polykondensaten und anderen Thermoplasten enthält.
Zur räumlichen Trennung einer einzelnen Bakterie aus der ausgebrachten Popula
tion wird ein UV-Laserstrahl 6 der Wellenlänge 337 nm eines gepulsten N2-Lasers
7 verwendet. Der Laser 7 liefert bei einer maximalen Pulsfrequenz von 20 Hz ca.
300 µJ Strahlenergie. Geeignet sind auch Excimerlaser mit einer Wellenlänge von
193, 248, oder 308 nm oder ein frequenzvervierfachter Nd:YAG-Laser mit einer
Wellenlänge von 266 nm oder ein frequenzverdoppelter Ar-Ionenlaser mit Wellen
längen von 244 nm oder 257 nm. Der Laserstrahl 6 wird über einen dielektrischen
Strahlteiler 8 und ein verkleinerndes Mikroskopobjektiv 9 (Verkleinerung 63 ×,
Öffnungsverhältnis NA = 0.9) auf die Trägerfolie 2 punktförmig abgebildet. Dieser
Punkt hat einen Durchmesser von ca. 5 µm.
Eine kreisförmige bzw. geschlossene Schnittlinie mit einem Durchmesser von
ca. 10 µm wird um das selektierte Bakterium durch eine entsprechende Bewegung
des Schiebetisches 3 in der Horizontalebene erzeugt. Die durch die Schnittlinie
definierte Fläche stellt in diesem Fall die Objektfläche dar. Der Laserstrahl bleibt
während des nachfolgend beschriebenen Schneidprozesses ortsfest.
Im Experiment betrug die relative Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls zum
Ausschneiden einer geschlossenen Fläche 5 µm/s. Dabei entstand eine scharf
kantige, eng begrenzte Schnittlinie, wobei gleichzeitig mit der Rückkehr des
Laserstrahls zum Startpunkt der Schnittlinie ein Abriß der ausgeschnittenen Fläche
erfolgte. Diese Fläche wurde nun durch einen Laser-induzierten Transportprozess,
dessen physikalische Wirkungsweise im Einzelnen noch nicht geklärt ist, von der
Trägerfolie 2 weg auf das darüber befindliche, mit einer adhäsiven Klebeschicht
versehene Auffängersubstrat 5 geschleudert und blieb dort haften. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, als Auffängersubstrat eine handelsübliche Mikro
titerplatte mit z. B. 96 Wells zu verwenden. Unter "Wells" werden in der pharma
zeutischen Forschung die in der Mikrotiterplatte befindlichen Aussparungen bzw.
kreisrunden Vertiefungen zur Probenaufnahme mit einem Durchmesser von ca. 4 mm
und einer Tiefe von ca. 6 mm verstanden.
Der Sortierprozeß soll noch einmal an Hand der Fig. 3 und 4 veranschaulicht
werden. Fig. 3 zeigt ein räumlich zu separierendes Bakterium 10 auf der
Trägerfolie 2. Auf Grund der kreisförmigen Bewegung des Schiebetischs 3 ist
durch den ortsfesten Laserstrahl 6 beim Schneidprozeß bereits eine Schnittlinie 11
von etwa 5-7 µm Breite in die Folie 2 geschrieben worden. In diesem Bereich
ist das Folienmaterial komplett abgetragen worden. Unmittelbar nachdem die
Schnittlinie 11 zu einem geschlossenen Kreis vervollständigt worden ist, wird das
abgetrennte Folienstück (Objektfeld) 12 mit dem darauf befindlichen Bakterium 10
in Richtung des Laserstrahls beschleunigt und wie in Fig. 4 dargestellt, auf das
Klebeband 5 (Auffängersubstrat) geschleudert. In der Trägerfolie 2 verbleibt ein
kreisrundes Loch 13.
Anstelle des Schiebetisches kann auch mit einem ruhenden Objekttisch gearbeitet
und der Laserstrahl mit Hilfe eines in die Laseroptik eingebauten Drehspiegels auf
einem Kreis um das selektierte Bakterium herumgeführt werden.
Voraussetzung für die Laser-Separation ist die vorherige Erkennung und Selektion
der aus der Trägerfolie zu entfernenden Objektfelder. Eine in der pharmakologi
schen Forschung häufig angewandte Methode der Erkennung und Selektion von
bestimmten Zellstrukturen ist die Fluoreszenzspektroskopie. Zu diesem Zweck
wird ein kommerziell erhältliches Fluoreszenz-Mikroskop eingesetzt. Grundlage ist
dabei, daß die für die Selektion vorgesehenen Zellen bzw. Bakterien ein signifi
kantes Fluoreszenzsignal erzeugen, das als Unterscheidungskriterium herangezogen
wird. Mit Hilfe eines mit einem Suchalgorithmus ausgestatteten Scan-Programms
kann dann der Schiebetisch 3 so gesteuert werden, daß automatisch nacheinander
die Bereiche mit selektierten Bakterien als Objektfelder zentral im Gesichtsfeld
des Fluoreszenzmikroskops positioniert und anschließend ausgeschnitten werden.
Zur Erkennung von biologischen Objekten in Gewebeschnitten können auch die
bekannten histologischen Farbreaktionen oder im Mikroskop wahrnehmbare
morphologische Veränderungen herangezogen werden.
Die Trägerfolie 2 kann auch mit einer für die Laserstrahlung durchlässigen Nähr-
oder Pufferlösung, z. B. einer PBS-Pufferlösung, beschichtet werden, ohne den
Separierprozess zu beeinträchtigen.