Dr. Christopher A. Rice ist Assistenzprofessor für Parasitologie und leitender Forscher der Rice Research Group im Department of Comparative Pathobiology an der Purdue University. Die Forschung seines Teams konzentriert sich auf drei freilebende Amöben – Acanthamoeba, Balamuthia mandrillaris und Naegleria fowleri –, die verheerende Infektionen wie Amöbenkeratitis (AK), granulomatöse Amöbenenzephalitis (GAE), Balamuthia-Amöbenenzephalitis (BAE) und primäre Amöbenmeningoenzephalitis (PAM) verursachen.1Diese Krankheiten werden häufig fehldiagnostiziert, schreiten schnell voran und weisen eine Sterblichkeitsrate von über 90 % auf, wobei weltweit nur eine Handvoll Überlebender dokumentiert ist, selbst bei aggressiver klinischer Intervention.2

Trotz der Schwere dieser Erkrankungen war die Suche nach neuen Behandlungsmethoden in der Vergangenheit begrenzt. Seit der Gründung seines Labors an der Purdue University im Jahr 2022 hat Dr. Christopher A. Rice eine stark standardisierte Pipeline für die Arzneimittelforschung aufgebaut, um diese Lücke zu schließen. Dabei hat er Hunderttausende von Verbindungen untersucht, um Therapien zu finden, die sicherer und wirksamer sind als die derzeitigen Behandlungen.1 „Bevor ich mein eigenes Labor gegründet habe, habe ich in fast zehn Jahren annähernd eine halbe Million Verbindungen untersucht“, erklärt Dr. Christopher A. Rice. „Seit 2023 haben wir für die gleiche Anzahl von Verbindungen nur zwei Jahre gebraucht. Ein solcher Durchsatz wäre ohne Automatisierung schlicht nicht möglich.“

Reproduzierbares Medikamenten-Screening

Eine der großen Herausforderungen bei der akademischen Arzneimittelforschung besteht darin, zuverlässige, vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, wenn mit einem großen Wirkstoff-Sortiment, verschiedenen Parasitenarten und komplexen Versuchsanordnungen gearbeitet wird.
Dr. Christopher A. Rice erklärt weiter: „Wir verwenden dieselben Hochdurchsatz-Screening-Assays für alle drei Amöbenarten, wodurch es möglich ist, direkt zu vergleichen, wie die einzelnen Arten, Genotypen und Stämme auf verschiedene Wirkstoffe und therapeutische Strategien reagieren. Dadurch können wir sowohl breit wirksame Anti-Amöben-Medikamente als auch Wirkstoffkandidaten identifizieren, die gegen bestimmte Parasiten wirksam sind. Außerdem können wir so beurteilen, ob Arzneimittelresistenzen bereits verbreitet sind oder gerade entstehen.“

Um dies zu erreichen, stellt das Labor große Chargen identischer Assay-Platten her. Jede enthält Panels von etwa 20 Wirkstoffkandidaten in festen Konzentrationen, die mithilfe akustischer Nanodrop-Dispensation am Purdue Institute for Drug Discovery hergestellt werden. Diese Platten werden dann in den WELLJET-Dispenser mit Plattenstapler geladen, der eine automatisierte Assay-Einrichtung für bis zu 50 Platten gleichzeitig ermöglicht und dabei eine konsistente Reagenzienabgabe sowohl im 96- als auch im 384-Well-Format gewährleistet. Die Screening-Assays werden dann in dreifacher Ausfertigung durchgeführt, wobei für alle Experimente die gleichen Wirkstoffchargen, Konzentrationen und Protokolle verwendet werden, um die Variabilität zwischen den Assays zu reduzieren und direkt vergleichbare Datensätze zu generieren.

Dieser Grad an Standardisierung ist für das Labor von entscheidender Bedeutung, um ein zentrales Repository für Wirkstoffaktivitäten aufzubauen, auch bekannt als RADAR-Projekt , das dazu dient, Anfälligkeitsmuster zu verfolgen und Amöben „auf den Radar der Menschen zu bringen“. Das Repository umfasst Parasitenstämme aus klinischen Fällen, aber auch aus der Umwelt. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige Stämme bereits einen resistenteren Phänotyp aufweisen als andere Biobank-Proben. Dies unterstreicht die Bedeutung eines standardisierten, groß angelegten Screenings, mit dem sich neu auftretende Resistenzen und zukünftige Herausforderungen bei der Behandlung identifizieren lassen. Das Labor kann echte biologische Unterschiede von experimentellen Schwankungen unterscheiden, indem es im Bereich Liquid Handling für alle Screenings die gleichen automatisierten Workflows anwendet. „Unterschiede zwischen den Chargen, die Reinheit der von Lieferanten  stammenden Substanzen und die manuelle Handhabung können die Ergebnisse beeinflussen“, merkt Dr. Christopher A. Rice an. „Durch die Automatisierung können wir diese Variablen normalisieren, sodass wir die Datenerfassung und die Datenanalyse beschleunigen und uns auf die Biologie konzentrieren können.“

Kompakte Automatisierung für Workflows in Biosicherheitslaboren

Die Arbeit mit pathogenen Organismen stellt zusätzliche Anforderungen an die Laborautomatisierung. Alle Amöben-Screenings im Labor werden in Umgebungen der Biosicherheitsstufe 2 (BSL-2) durchgeführt, in denen der Platz begrenzt ist. Dank seiner kompakten Bauweise kann der WELLJET in einem 1,80 m großen Biosicherheitsschrank installiert werden, wo er nur einen Bruchteil des verfügbaren Arbeitsraums einnimmt und dennoch genügend Platz für effizientes Arbeiten lässt.

„Die Stellfläche war für uns ein wichtiger Faktor bei der Auswahl der richtigen Ausrüstung“, erklärt Dr. Christopher A. Rice. „Der WELLJET passt problemlos in einen BSL-2-Schrank, und mit dem Staplersystem können wir mehrere Platten in einem einzigen Durchgang verarbeiten. Das ist ein großer Vorteil im Vergleich zu Systemen, die nur einige wenige Platten gleichzeitig verarbeiten können. Der WELLJET lässt sich auch sehr einfach programmieren. Das macht einen großen Unterschied bei der Schulung von neuen Mitarbeitenden im Labor sowie bei der Durchführung standardisierter Arbeitsabläufe im Alltag.“

Neben dem WELLJET verwendet das Labor die elektronische Pipette MINI 96, um Transfers von Platte zu Platte schnell durchzuführen, Arzneimittelplatten zu klonen und Parasiten auf Assay-Platten zu verteilen. Zusammen unterstützen diese Systeme einen flexiblen, skalierbaren Workflow, wodurch manuelles Pipettieren reduziert, das Risiko einer Kreuzkontamination minimiert und Forschende vor Verletzungen durch wiederholte Belastung geschützt werden.

Schnellere Fortschritte in der Forschung über vernachlässigte Krankheiten erzielen

Kompakte, kostengünstige Werkzeuge wie der WELLJET und die MINI 96 helfen akademischen Laboren dabei, standardisierte Arbeitsabläufe mit hohem Durchsatz einzuführen, die bisher nur in der industriellen Arzneimittelforschung möglich waren. Auf diese Weise unterstützen sie Forschende, die sich mit seltenen und vernachlässigten Krankheiten beschäftigen, und beschleunigen den Fortschritt dort, wo dieser am dringendsten gebraucht wird. „Die Effizienz der Automatisierung kann dazu beitragen, die Erforschung von Krankheiten voranzutreiben, die in der Vergangenheit nur wenig Beachtung gefunden haben. Unser Ziel ist es, die Ergebnisse für Patientinnen und Patienten mit AK zu verbessern und den Menschen, die von diesen Hirninfektionen betroffen sind, eine Überlebenschance zu bieten“, so Dr. Christopher A. Rice. „Wenn es uns gelingt, sicherere und selektivere Medikamente zu entwickeln und die Resistenzmuster früher zu verstehen, können wir dazu beitragen, den Verlauf von Krankheiten, die derzeit fast immer tödlich verlaufen, zu ändern.

Literaturangaben

1. Rice CA, et al. Discovery of repurposing drug candidates for the treatment of diseases caused by pathogenic free-living amoebae. PLOS Neglected Tropical Diseases. 2020;14(9):e0008353. doi: 10.1371/journal.pntd.0008353
2. Haston, J.C. und Cope, J.R. Amebic encephalitis and meningoencephalitis: Amebic encephalitis and meningoencephalitis: Current Opinion in Infectious Diseases. 2023; 36(3):186-191.doi: 10.1097/QCO.0000000000000923