Labor auf einem Tupfer

Stellen Sie sich vor, in Asien ist eine Grippepandemie ausgebrochen. Ein Flugzeug mit exponierten Passagieren fliegt über den Pazifischen Ozean in Richtung Los Angeles. Einer von ihnen beginnt zu husten, wodurch sich eine greifbare Angst in der Kabine ausbreitet.

Schnell und effizient greift eine Flugbegleiterin ein kleines Gerät aus dem Gepäckfach, entnimmt dem erkrankten Passagier eine Halsprobe und identifiziert das Virus als Influenza. Bei der Landung werden alle Reisenden unter Quarantäne gestellt – und die Ausbreitung der Grippe wird vereitelt.

Ein Szenario, das in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden könnte, dank einer Gruppe von Forschern, die daran gearbeitet haben, genetische Informationen effizienter aus menschlicher DNA abzuleiten.



Darüber hinaus könnte es in Kombination mit einem drahtlosen Netzwerk die Ausbreitung von Grippestämmen auf der ganzen Welt verfolgen.

Angefangen hat alles mit einem kleinen Gerät – und einer großen Idee.

1992 begann eine multidisziplinäre Gruppe an der University of Michigan mit der Entwicklung eines Lab-on-a-Chip-Geräts, einem sogenannten Genotyper, um die Schritte zu reduzieren, die erforderlich sind, um genetische Informationen aus menschlicher DNA mithilfe von Mikrofabrikationsmethoden zu gewinnen. (Siehe Notebook für das Lab-on-a-Chip-Konzept.)

DNA-abgeleitete Informationen können verwendet werden, um alles zu testen, von der Sicherheit eines Huhns bis hin zur Herkunft eines Blutflecks an einem Tatort oder ob ein Kind das Influenzavirus hat.

Nach mehreren Jahren des Prototypings begannen Forscher aus Michigan, potenzielle Anwendungen des Genotyper-Geräts zu diskutieren, das ungefähr die Größe einer TV-Fernbedienung hat.

Die Vorteile sind, dass [der Genotyper] sehr tragbar ist, sagt Ronald G. Larson, Vorsitzender der Abteilung für Chemieingenieurwesen in Michigan. Es schien ideal, um vor Ort Genomik an Viren durchzuführen – und Influenza war ein logischer Kandidat.

Also begannen sie, ein Gerät zu bauen, das die genetische Ausstattung des Influenzavirus schnell identifizieren kann.

Da Influenza ein RNA-Virus ist, muss die RNA zunächst in DNA umgewandelt werden, bevor sie auf dem Chip amplifiziert werden kann. Bei dem als PCR (Polymerase-Kettenreaktion) bezeichneten Prozess werden Enzyme freigesetzt, die die DNA an bestimmten Stellen verdauen oder zerschneiden.

Die Art und Weise, wie das Gen geschnitten wird oder nicht, hängt davon ab, welches Grippegen Sie haben, sagt Larson. Die DNA-Fragmente werden dann durch ein Gel geleitet und mit fluoreszierenden Markierungen gefärbt, sodass Wissenschaftler einen Grippestamm von einem anderen unterscheiden oder feststellen können, ob ein neuer Stamm aufgetaucht ist.

Bisher wurde der Genotyper an menschlichen Genen, an Mäusen (eine häufige Quelle für die Suche nach genetischen Variationen) und an der DNA von zwei Influenza-Stämmen getestet.

Sie haben eine Art Mikroprozessor oder Hardware-Teil, sagt das ursprüngliche Gruppenmitglied Mark A. Burns, Professor für Chemie- und Biomedizintechnik an der University of Michigan. Dann legt man einfach eine andere Software auf, aber in unserem Fall würde man es Wetware nennen, verschiedene Reagenzien, um verschiedene Dinge zu testen.

Die Forscher aus Michigan haben den Prozess mit einer Halsprobe nicht durchlaufen, weil sie das Reinigungsproblem lösen müssen (siehe Notizbuch). Bisher haben sie vorgereinigte DNA genommen und genotypisiert.

Obwohl seit der letzten weltweiten Grippepandemie in der menschlichen Bevölkerung 36 Jahre vergangen sind, ist die Gefahr eines aktuellen Ausbruchs immer präsent. Die jüngsten Ausbrüche der Vogelgrippe unterstreichen diese Realität. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner genetischen Veränderlichkeit, schnellen Übertragung und der Fähigkeit, sich vom Tier auf den Menschen zu übertragen, von entscheidender Bedeutung, neue Varianten des Grippevirus aufzuspüren. Laut William A. Petri Jr., Professor für Medizin, Mikrobiologie und Pathologie an der University of Virginia, sind sich praktisch alle Grippeexperten einig, dass es zu einer weiteren Grippepandemie kommen wird.

Als Arzt stellt sich Petri vor, dass eines Tages ein Genotyper-ähnliches Gerät verwendet wird, um schnell Typ, Subtyp oder Stamm des Influenzavirus bei einem Patienten zu identifizieren, und dann ein Arzt, der die Informationen verwendet, um das geeignete Medikament auszuwählen.

Petri stellt fest, dass die meisten Patienten heute zwei bis drei Tage warten, bevor sie zum Arzt gehen. Wenn sie sich innerhalb der kritischen 48-Stunden-Frist zu Hause selbst diagnostizieren könnten, könnten sie eine effektivere Behandlung erhalten – und die Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung anderer verringern.

In 15 bis 20 Jahren hoffen die Forscher, dass ein Patient einen Nasenabstrich oder eine Rachenprobe entnehmen, auf den Genotyper-Chip legen und zu Hause selbst diagnostizieren kann. Dann könnten Daten in ein drahtloses Netzwerk eingegeben und Varianten der Grippe von Nachbarschaft zu Nachbarschaft, von Stadt zu Stadt oder darüber hinaus kartiert werden.

Burns stellt sich ein halbes Dutzend anderer Anwendungsmöglichkeiten für ein solches integriertes Gerät zur Erkennung von Genen vor (siehe Notebook). Aber er räumt auch ein, dass die Technologie missbraucht werden kann. Skrupellose Krankenkassen oder potenzielle Arbeitgeber könnten beispielsweise Informationen über das Erbgut einer Person abfangen und Versicherungsnehmer oder Arbeitnehmer diskriminieren.

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Aber wie machbar ist ein so revolutionäres Diagnosegerät?

Damit so etwas auf kommerzieller Ebene wirklich funktioniert, bedarf es vieler Dinge, nicht nur technologisch, sondern auch soziologisch, ökonomisch, sagt Larson. Trotz dieser Vorbehalte glaubt er jedoch, dass es massenproduziert und kostengünstig werden könnte.

Was wir wirklich versuchen, ist, das Feld voranzutreiben und uns auf das zu konzentrieren, was wir für einen großen Bedarf an der Verfolgung viraler Krankheitserreger halten, sagt Larson.

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