Tröpfchen als Labor

Analytik und Diagnostik im Chipformat sind im Kommen, ihr praktischer Einsatz ist jedoch limitiert, da meist eine separate, nicht miniaturisierte Probenvorbereitung vorgeschaltet werden muss. Jürgen Pipper und sein Team vom Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur wollen das ändern.

Sie haben jetzt einen gendiagnostischen Schnelltest entwickelt, der die Vorbereitung realer biologischer Proben mit einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) auf einem Chip zu einer Einheit verbindet. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, dient ein einzelnes Tröpfchen mit magnetischen Nanopartikeln, das durch ein magnetisches Feld auf dem Chip bewegt wird, in diesem miniaturisierten Gesamtanalysensystem als „Laborgerät“ für alle Schritte.

Mit Hilfe der PCR lassen sich Gensequenzen vervielfältigen und identifizieren, etwa um einen Krankheitserreger zu entlarven. Dazu muss die Probe zyklisch ein bestimmtes Temperaturprogramm durchlaufen. Aufgrund der langsamen Heiz- und Abkühlzeiten dauert eine Labor-PCR meist mehrere Stunden. Die neue Chip-PCR schafft das inklusive Probenvorbereitung innerhalb von Minuten.

Anders als bei anderen chipbasierten Methoden kann die reale Probe, z.B. ein Tröpfchen Blut, direkt auf den PCR-Chip gegeben werden, wo es mit einem Tröpfchen vermischt wird, das magnetische Partikel enthält. Diese tragen Antikörper auf ihrer Oberfläche, die spezifisch die interessierenden Zellen aus dem Blutströpfchen binden. Durch Bewegen eines Magneten unterhalb des Chips wird ein Tröpfchen mit den beladenen Magnetpartikeln aus dem Blutströpfchen förmlich wieder herausgezogen und zu den nächsten Stationen geführt – Tröpfchen einer Waschflüssigkeit. Das magnetische Tröpfchen wird jeweils mit dem Wasch-Tröpfchen vereinigt und anschließend wieder durch eine Bewegung des Magneten herausgezogen. Ein weiteres Tröpfchen liefert die für den Zellaufschluss notwendigen Enzyme und Reagenzien.

Die letzte Station ist die PCR-Station. Nach Vereinigung mit einem Reagenzien-Tröpfchen wird das magnetische Tröpfchen wie bei einem Uhrwerk im Kreis immer wieder über vier verschiedene Temperaturzonen geführt, an denen die für die PCR notwendigen unterschiedlichen Temperaturen eingestellt sind. Ein einzelner Zyklus dauert 8 s. Ein Fluoreszenz-Detektor oberhalb einer der Zonen überwacht den Fortgang der PCR (Echtzeit-PCR) und zeigt an, ob und in welcher Menge die gesuchte Gensequenz vorhanden ist.

Mit ihrem neuen PCR-Chip gelang es den Forschern, 30 Zellen, denen die Erbinformation für ein grün fluoreszierendes Protein eingepflanzt worden war, aus 25 µl Blut zu isolieren, 100fach aufzukonzentrieren, zu reinigen, aufzuschließen und in einer Echtzeit-PCR das Gen für das grüne Protein nachzuweisen – und das alles innerhalb von nur 17 min.

Angewandte Chemie: Presseinfo 17/2008

Autor: Jürgen Pipper, Institute of Bioengineering and Nanotechnology (Singapore), http://www.ibn.a-star.edu.sg/research_areas_04_details.php?id=103

Angewandte Chemie 2008, 120, No. 21, 3964-3968, doi: 10.1002/ange.200705016

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