DNA-Chip gibt positive ID

In den letzten fünf Jahren waren DNA-Chips ein leistungsstarkes Forschungswerkzeug, das viel versprechend für den zukünftigen Einsatz in klinischen Umgebungen ist. Diese winzigen Silizium- oder Glasoberflächen, die mit Tausenden von DNA-Fragmenten bedeckt sind, werden von Forschern verwendet, um Gene in DNA-Proben zu entdecken. Aber immer noch schwer zu fassen ist der heilige Gral dieser Technologie – ein einzelnes, vollautomatisches Handgerät oder Labor auf einem Chip, das sofort DNA aus einer einzelnen Haarsträhne oder einem Blutstropfen analysieren kann.

Ein Unternehmen, das einen großen Schritt in diese Richtung gemacht hat, ist Nanogen aus San Diego. Sein NanoChip ist derzeit der einzige DNA-Chip auf dem Markt, der Mikrofluidik – die Kanalisierung von Flüssigkeiten auf einer Chipoberfläche – und elektronische Signalübertragung nutzt, um Genvarianten und Mutationen genauer zu identifizieren. Dies kann zu einem genaueren Nachweis von Krankheitserregern, Mikroorganismen oder Subtypen genetisch bedingter Krankheiten führen.

Meet and Match



Alle DNA-Chips basieren auf einer inhärenten Eigenschaft der DNA: Wenn die bekannte Doppelhelix in zwei Hälften geteilt wird, versucht jedes DNA-Stück, sich wieder mit einem anderen, komplementären Stück zu verbinden – ein Prozess, der Hybridisierung genannt wird.

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Die Oberfläche herkömmlicher DNA-Chips, wie sie der Biochip-Gigant Affymetrix produziert, ist meist mit Zehntausenden von DNA-Strängen, sogenannten Sonden, bedeckt. In einer typischen Anwendung werden Gene beispielsweise aus einem Krebstumor mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert und auf die Chipoberfläche aufgebracht. Diejenigen, die übereinstimmen, binden an die Sonden, und der Rest wird abgewaschen. Die fluoreszierenden Marker, die mit einem Scanner gelesen werden, ermöglichen es den Forschern, die DNA-Sequenzen zu identifizieren, aus denen die gebundenen Gene bestehen. Dieser Vorgang kann bis zu drei Stunden dauern.

In vielen Fällen kann die Bindung des Probengens und seiner passenden Sonde jedoch eine Fehlpaarung von einem oder zwei Grundbuchstaben (den Bausteinen der DNA) verbergen. Für die meisten Zwecke ist dieser Genauigkeitsgrad ausreichend, da er es Forschern ermöglicht, Gene oder Genfamilien sicher zu identifizieren.

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Wenn Forscher jedoch die genaue Genvariante identifizieren müssen – um beispielsweise zwischen verschiedenen Subtypen einer Krankheit zu unterscheiden – können ein oder zwei Buchstaben den Unterschied ausmachen.

Elektrischer Fluss

Nanogen hofft, dass der NanoChip diesen Bedarf decken wird. Es ist spezialisierter als herkömmliche DNA-Chips und verwendet Mikrofluidik, Elektronik und ein cleveres Reverse Engineering, um eine perfekte Übereinstimmung zu erzielen.

Innerhalb des Chips führt eine Reihe von Mikrofluidikkanälen zu einem zentralen Kern mit 99 Teststellen, von denen jede unabhängig mit einer elektrischen Ladung gesteuert werden kann. Während Standard-DNA-Chips mit Sonden ausgestattet sind, wird die NanoChip-Kartusche leer geliefert und muss angepasst werden. Um den Chip vorzubereiten, werden DNA-Sonden in die Mikrofluidikkanäle platziert und eine elektrische Ladung an die Teststellen angelegt, die die Sonden halten. Da DNA eine inhärente negative Ladung enthält, werden die Sonden durch die Kanäle zu den gewünschten Stellen gezogen.

Eine elektrische Ladung beschleunigt auch den Hybridisierungsprozess, indem Genproben zu den Sonden gezogen werden. Nach der Hybridisierung wird die elektrische Ladung umgekehrt. Es bleiben nur perfekt aufeinander abgestimmte Samples zurück, und die Ausgabe wird dann auf einer angepassten Desktop-Workstation gelesen. Der gesamte Vorgang dauert etwa 15 Minuten.

Bisher hat es eine 100-prozentige Genauigkeit erbracht, sagt Paolo Fortina, ein Forscher am Kinderkrankenhaus in Philadelphia, der den NanoChip seit fast einem Jahr hauptsächlich verwendet, um Ergebnisse eines DNA-Sequenzers zu validieren. Kürzlich setzte er den NanoChip in einer Studie zu Genvarianten und Herz-Kreislauf-Erkrankungen ein.

Andere Plattformen

In einem experimentierfreudigen Feld buhlen auch andere Biotech-Unternehmen mit eigenen Ansätzen zur DNA-Chip-Konstruktion um den Erfolg.

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Die eSensor-Gruppe von Motorola, mit der Nanogen kürzlich einen Patentstreit über molekulare Nachweisverfahren beigelegt hat, will im Herbst mit einem eigenen DNA-Chip auf den Markt kommen. Der Chip von Motorola verwendet Elektronik nicht, um Geschwindigkeit und Präzision zu erhöhen, sondern um hybridisierte DNA ohne Fluoreszenz zu identifizieren. Der eSensor-Chip enthält Sonden, die mit einem elektronischen Etikett gekennzeichnet sind. Sobald die Hybridisierung stattfindet, wird eine Spannung an den Chip angelegt, wodurch die hybridisierten Sonden ein Signal abgeben.

HandyLab, ein Spin-off der University of Michigan, arbeitet an einem mikrofluidischen DNA-Chip, von dem sie hoffen, dass er für den klinischen Einsatz zugelassen wird. Wie Nanogen verwendet HandyLab elektronische Signale, um die Flüssigkeiten zu manipulieren. Aber anstatt die inhärente negative Ladung in der DNA selbst auszunutzen, experimentiert HandyLab mit thermischer Pneumatik – das elektrische Erhitzen kleiner Lufttaschen, um die Flüssigkeit voranzutreiben, und dann den Fluss chemisch zu steuern. HandyLab sagt für 2003 klinische Studien seines Produkts voraus.

Orchid Biosciences mit Sitz in Princeton, NJ, entwickelt eine Biochip-Plattform, die aus einem mehrstufigen mikrofluidischen Schaltkreis besteht, um Genvarianten und Mutationen zu erkennen. Orchid hofft, diese hochparallele Plattform bis 2003 in ihre Produktlinie integrieren zu können.

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