System hybcell-hyborg

Flexibilität mit zylindrischem Microarray

Multiplex-Technologie für vollautomatische Protein- und DNA-Analysen
Bild 1: hybcell Microarray-Kartusche.

Markus Jaquemar*)

  1. Mag. rer. nat. M. Jaquemar, Anagnostics Bioanalysis GmbH, Linz. E-Mail: m.jaquemar@anagnostics.com.
Die hohe Flexibilität der hybcell-Technologie eröffnet vielfältige Anwendungsgebiete bei multiplexed Assays, was sowohl im Forschungsbereich als auch im klinisch-diagnostischen Bereich von Vorteil ist. So ermöglicht die Technologie zum Beispiel kinetische Protease-Assays bei der Proteinanalytik. Bei DNA-Anwendungen können hochparallele Analysen von Schmelzpunktbestimmungen oder vollautomatische On-Spot-PCR-Reaktionen durchgeführt werden.

Das österreichische Startup Anagnostics Bioanalysis entwickelte in den letzten drei Jahren eine komplett neuartige Microarray-Technologie. Ein zylindrisches Array, das in einer speziell entwickelten Kartusche fixiert ist, bildet das Herzstück der Technologie und bietet wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen flachen Array-Systemen wie Dr. Bernhard Ronacher, Mitbegründer von Anagnostics und Erfinder der hybcell-Technologie, ausführt: „Meine Arbeit mit konventionellen Microarrays war mitunter frustrierend: Komplexes Handling wurde mit Ergebnissen belohnt, die von manuellen Prozessen und Umweltbedingungen stark beeinflusst waren. Dazu kamen technologische Limits, wie zum Beispiel die Endpunktmessung als einzige mögliche Messung. Das Ziel unserer Entwicklung war von Anfang an ein System, das neue technologische Wege geht und bei höchster Datenqualität und Robustheit hochproduktiv ist.“

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Das hybcell-Prinzip

Die hybcell-Technologie basiert auf der Verwendung zweier Zylinder, wobei die Detektormoleküle auf der Mantelfläche des inneren Zylinders platziert sind. Dieser innere Zylinder befindet sich in einem transparenten Gefäß. Beide Zylinder formen gemeinsam mit einer Haltevorrichtung die hybcell. Bei den Vorbereitungen zur Messung wird zunächst die flüssige Probe durch einen zentralen Kanal von oben in die hybcell eingebracht. Die Probe sinkt – ohne dabei zunächst eine Reaktion auszulösen – auf den Boden. Die hybcell wird mit einem Deckel verschlossen und so dem Gerät, dem hyborg, übergeben. Der hyborg übernimmt ab diesem Zeitpunkt alle Prozessschritte vollautomatisch (Cycling, Spülen, Reagenszugabe, Hybridisierung, Detektion, Auswertung). Die Abfolge dieser Schritte ist absolut reproduzierbar und dokumentiert. Der Ablauf selbst kann vom Anwender programmiert und gespeichert werden.

Erst durch Absetzen des inneren Zylinders wird ein Reaktionsraum (Ringspalt) zwischen den beiden Zylindern erzeugt der sich mit der am Boden befindlichen Probe füllt. Ab diesem definierten Zeitpunkt finden die Interaktionen zwischen Detektor- und Probenmolekülen statt. Vor und während der Interaktionen kann die Temperatur der Probe beliebig verändert werden. Durch den zentralen Kanal können nach Art einer Durchflusszelle jederzeit verschiedene Flüssigkeiten eingebracht werden (Pufferwechsel, Gradienten, Reaktionslösungen...). Durch Rotation des inneren Zylinders werden die Flüssigkeiten in der hybcell ständig durchmischt. Auftretende Temperatur- oder Konzentrationsunterschiede werden so ausgeglichen.

Der hyborg ist so konzipiert, dass er die gesamte Reaktionsfläche der hybcell zu jedem beliebigen Zeitpunkt, auch mehrmals, vermisst. Somit sind auch Verlaufsmessungen einfach zu realisieren. Die Anzahl und Zeitpunkte der Messungen der hybcell-Oberfläche sind frei wählbar, ohne dass dabei die vorherrschenden Bedingungen geändert werden. Erstmals sind komplexe und mehrstufige Messungen realisierbar. So können an ein und demselben Detektormolekül mehrere biochemische Parameter vermessen werden oder der zeitliche Verlauf einer Reaktion betrachtet werden.

Die hybcell ist ein Einwegprodukt. Eine Kontamination der nachfolgenden Proben ist durch die Konstruktion ausgeschlossen.

Parallelanalyse bei hoher Probenzahl

Das um die patentierte hybcell gebaute Analysensystem kombiniert durch Vollautomation die Parallelanalyse mit einer hohen Probenzahl (8 bzw. 96 hybcells). Über intuitive Software-Programme können neue Assays aufgesetzt und alle Programmschritte abgearbeitet werden. Die Software-Architektur bietet einerseits für die Assay-Entwicklung hohe Flexibilität durch den Zugriff auf alle Geräteparameter, unterstützt andererseits aber auch die Abarbeitung von geschützten Protokollen für den Routinebereich. Dazu steht eine Software-Suite zu Verfügung, die den Anwender beim Primer-Design, Assay-Design oder bei der Gerätebedienung und Datenanalyse unterstützt. Die erstellten Protokolle und Daten können dabei zwischen den Software-Programmen einfach und schnell ausgetauscht werden.

Aufgrund der großen Flexibilität des Systems ist das Anwendungsgebiet sehr vielfältig. Der Entwicklungsschwerpunkt von Anagnostics liegt im Bereich Protein- und Nukleinsäure-Assays. Mittelfristig sind auch Routineanwendungen im klinischen Feld geplant. Durch einfachste Gerätebedienung und Vollautomatisation sind dafür beste Voraussetzungen geschaffen.

Proteinanalytik

Der Einsatz von Laserfluoreszenzdetektion ermöglicht sehr empfindliche und selektive Messungen, und der integrierte Aufbau des Detektionssystemes erlaubt auch Verlaufsmessungen. Damit sind zum Beispiel kinetische Protease-Assays in der Proteinanalytik möglich.

Eine andere Anwendung ist die Messung von On/Off-Rates, um das Bindungsverhalten von Proteinen (z.B. Biomarker) zu bestimmen. Im Gegensatz zu Systemen mit konventioneller SPR-Technologie misst die hybcell-Technologie hochparallel, was die Produktivität im Labor deutlich steigert.

DNA-Arrays

Auch im Bereich von DNA-Anwendungen bietet die große Flexibilität des hyborg-Systems einen weiten Anwendungsbereich. Als Beispiel sei hier die hochparallele Messung von DNA-Schmelzkurven erwähnt, was bei der SNP-Analyse hilfreich ist. Besonders vielversprechend ist die Möglichkeit der multiplexed On-spot-PCR, was etwa in der Detektion von Mutationen Anwendung findet.

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