Automatisiert und parallel

Modulare Geräte zur Probenvorbereitung und Nukleinsäureextraktion

Die flexible Kombination der Maxwell® Extraktionsgeräte mit dem Maxprep™ Liquid Handler ermöglicht eine automatisierte Isolierung und die darauf abgestimmte Probenvor- und nachbereitung von Nukleinsäuren.

© Promega

Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach molekularen Tests benötigen Labore Lösungen, die eine höhere Automatisierung oder einen höheren Durchsatz ermöglichen, um mit der ständig steigenden Anzahl von Probenvorbereitungen für Anwendungen wie PCR und moderne Sequenzierverfahren (Next Generation Sequencing) Schritt zu halten. Zwar sind große komplette Geräte seit mehreren Jahren verfügbar, jedoch stellen sie eine erhebliche Investition für Labore dar. Da diese integrierten, wenig flexiblen Systeme ganze Arbeitsabläufe in einem Gerät vereinen, müssen alle Methoden an das Gerät angepasst werden. Eine Wartung oder der Defekt eines einzigen Geräteteils bedeutet aber entsprechend, dass der gesamte Prozess angehalten wird. Der entstehende Rückstau an Proben oder der Umstieg auf manuelle Methoden kann das Labor in seiner Kapazität stark belasten.

Die Vorteile eines modularen Ansatzes sind daher klar ersichtlich: Beim Ausfall eines Gerätes können alle übrigen Arbeitsprozesse fortgesetzt werden. Die einzelnen Geräte können außerdem gleichzeitig arbeiten und dadurch die Effizienz erheblich steigern. Zudem kann das modulare System an die Anforderungen des Labors sowie deren mögliche Veränderungen angepasst werden, z. B. durch flexible Integration weiterer Instrumente. Das neu eingeführte System aus Maxprep™ Liquid Handler in Verbindung mit den Maxwell® RSC- und Maxwell® RSC 48-Nukleinsäureextraktionsgeräten von Promega ermöglicht einen vollständigen Arbeitsablauf für die Probenvorbereitung, die Extraktion von Nukleinsäuren und deren nachfolgende Vorbereitung für Analysen wie Probentransfer, Normalisierung und PCR-Setup. Vorverarbeitungs-, Extraktions- oder Nachverarbeitungsaufgaben können damit automatisiert und parallel durchgeführt werden. Eine Verbindung der Geräte über das Labornetzwerk mit der Promega-Portal-Software überträgt alle Probeninformationen von einem Gerät zum nächsten und bietet jeweils Hinweise für die nächsten Schritte im Arbeitsprozess.

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Automatisierte Probenvorbereitung
Die automatisierte Probenvorbereitung schafft Zeit für anspruchsvolle Arbeiten, reduziert gleichzeitig das Risiko der Exposition gegenüber Gefahrstoffen und verringert die Belastung durch oft wiederholte manuelle Bewegungen wie Pipettieren. Automatisierte Liquid-Handling-Systeme helfen die gestiegenen Anforderungen an die Probenverarbeitung mit minimaler Erhöhung an Personal zu bewältigen. Der Maxprep Liquid Handler bietet in Kombination mit den Maxwell Extraktionsinstrumenten eine einfache schlüsselfertige Lösung für die Probenvorbereitung. Das System verwendet von Promega bereitgestellte Protokolle zur Probenvorbereitung für die Maxwell RSC-Extraktion. Die Protokolle sind kit-spezifisch und ermöglichen dem Anwender eine flexible Anpassung der Parameter innerhalb der Maxwell RSC Kit-Richtlinien.

Die intuitive Touchscreen-Software bietet eine visuelle und interaktive Oberfläche für die Vorbereitung der Liquid-Handler-Arbeitstabellen. Benutzer können innerhalb weniger Stunden geschult werden und schnell Proben laufen lassen. Ein automatisiertes Scannen der Barcodes der Originalprobenröhrchen beim erstmaligen Laden ins System sowie die fortwährende Weitergabe der Codes, Reagenzieninformationen und generierten Probendaten von einem Instrument zum nächsten durch die Promega-Portal-Software stellen die Dokumentation innerhalb der gesamten Verarbeitungskette sicher.

Bild 1: Nukleinsäureausbeute bei Verwendung des Maxprep™ Liquid Handlers im Vergleich zur manuellen Probenvorbereitung. DNA oder RNA wurde mit den Maxwell® RSC Kits und mit Hilfe des Maxprep™ Liquid Handlers zur Probenvorbereitung und anschließenden Extraktion mit Maxwell® RSC-Instrumenten isoliert. Die Ausbeuten wurden mit denen aus der manuellen Probenvorbereitung gefolgt von der Maxwell RSC-Extraktion (auf 100 % gesetzt) verglichen. © Promega

Der Maxprep Liquid Handler erlaubt die Probenvorbereitung für Maxwell RSC-Extraktionschemikalien und erledigt Protokolle für Methoden nach der Nukleinsäureextraktion wie Fluoreszenzfarbstoff-basierte Quantifizierung, Normalisierung, Probentransfer, Verdünnungen, Vervielfältigungsverfahren per Polymerase-Kettenreaktion wie PCR, qPCR, RT-PCR und RT-qPCR . Neben den ursprünglichen Vorverarbeitungsprotokollen für zehn Maxwell® RSC-Extraktionskits werden demnächst solche für weitere Maxwell RSC-Kits verfügbar sein.

Bild 2: Linearität der Extraktionsausbeute von 5 x 102 bis 5 x 106 zugegebenen Kopien an Lambda-DNA zu je 300 µl Plasmaprobe (je n = 8). Die Proben wurden mit dem Maxprep™ Liquid Handler vorbehandelt und mit dem Maxwell® RSC 48 Instrument extrahiert. Die Amplifikation per qPCR wurde mit dem Maxprep™ Liquid Handler angesetzt. © Promega

Der Maxprep Liquid Handler bietet gleichbleibende und reproduzierbare Leistung unabhängig vom Bediener. Die Ausbeute an Nukleinsäuren aus Proben, die mit dem Maxprep Liquid Handler vorbereitet wurden, ist mit manuell vorbereiteten Proben vergleichbar (Bild 1). Ergebnisse aus dem vollständigen Arbeitsprozess unter Einsatz des Systems am Beispiel der Quantifizierung von viralen Gesamt-Nukleinsäuren per qPCR isoliert mit dem Maxwell RSC Viral Total Nucleic Acid Kit sind ebenfalls überzeugend (Bilder 2 und 3). Hier wurden zur Demonstration unterschiedliche Mengen an viraler Lambda-DNA zu Plasmaproben gegeben. Die Probenvorbehandlung und Vorbereitung der Maxwell RSC-Kartuschen fand im Maxprep Liquid Handler und die Extraktion der Lambda-DNA im Maxwell RSC 48-Gerät statt. Schließlich wurde die eluierte DNA zum MaxprepTM Liquid Handler zur Vorbereitung der Quantifizierung per qPCR unter Verwendung des GoTaq® Probe qPCR-Systems zurückgeführt. Die Extraktionsausbeute war über einen Bereich von vier Logs der eingesetzten Lambda-DNA-Menge linear (Bild 2). Die Quantifizierung der DNA aus Plasmaproben mit 5 x 106 zugegebenen Kopien an Lambda-DNA ergab bei unterschiedlicher Anzahl eingesetzter Replikate zuverlässige Cq-Werte mit minimaler Schwankung (Bild 3).

Bild 3: Quantifizierung der DNA aus Plasmaproben mit 5 x 106 zugesetzten Kopien an Lambda-DNA in drei aufeinanderfolgenden Läufen mit unterschiedlicher Anzahl eingesetzter Replikate (n = 48, 24 bzw. 8 für die Läufe 1, 2 bzw. 3). © Promega

Erweiterung auf 48 Proben
Der Bedarf an Systemen mit höherem Durchsatz wird durch die steigende Nachfrage nach molekularbiologischen Tests z. B. in der onkologischen Forschung angetrieben. Das Maxwell RSC 48 Instrument ist eine Erweiterung der Maxwell RSC Instrument-Produktlinie und ermöglicht eine Extraktion von einer bis 48 Proben mit der gleichen Ausbeute und in der gleichen Zeit wie die Maxwell RSC-Modelle für maximal 16 Proben. Das System verwendet die bewährte Technologie, bestehend aus vorgefüllten Einmalkartuschen und paramagnetischen Partikeln zur Nukleinsäureextraktion aus einer großen Vielzahl von Probentypen.

Instrumente sollen gängige Fehler entdecken, die zu Fehlschlägen und Probenverlusten führen können. Das Maxwell RSC 48 Instrument bietet daher eine automatische Selbstkontrolle für korrektes Beladen. Durch ein integriertes Kamerasystem meldet es bereits vor Beginn eines Extraktionslaufs spezifische Details zu möglichen identifizierten Fehlern.

Geräteintegration, Datenaustausch
Modularität bietet im Arbeitsprozess zahlreiche Vorteile wie Redundanz, Erweiterbarkeit und Anpassungsfähigkeit. Dafür sollten Instrumente in einer zusammenhängenden Einheit miteinander kommunizieren. Die Promega Portal-Software ist eine gemeinsam nutzbare Datenbank, die Informationen von einem Modul an das nächste Modul weiterleitet. So steht der initial vom Maxprep Liquid Handler eingelesene Proben-Barcode anderen Geräten zu Verfügung, während dieses Instrument wiederum die am Maxwell RSC-Gerät ermittelten Daten aus der Quantifizierung mit dem integrierten QuantusTM Fluorometer für die Normalisierung oder Vorbereitung der PCR-Ansätze importieren kann.

Das Promega-Portal ermöglicht den verbundenen Modulen eine Zusammenarbeit als gemeinsame Einheit ohne die Nachteile einer großen integrierten Instrumentenplattform, dafür mit dem Vorteil einer inhärenten Redundanz, die mit vielen der weniger flexiblen großen Plattformen für integrierte Geräte nicht möglich ist. Im Fall einer Wartung des Maxprep Liquid Handlers können die Proben kurzfristig manuell vorbereitet und weiterhin über die Extraktionsgeräte automatisiert verarbeitet werden. Mehrere Maxwell RSC-Instrumente sind in den Arbeitsablauf integrierbar, um Redundanz auf der Extraktionsseite zu gewährleisten und Unterbrechungen bei der Verarbeitung von Proben zu vermeiden.

Fazit
Da die Laboranforderungen laufend wachsen, wird das Konzept eines modularen Netzwerks von zusammenarbeitenden Instrumenten immer wichtiger. Gerätemodule können flexibel zur Erhöhung des Probendurchsatzes oder Automatisierung ohne den Erwerb vollständiger neuer komplexer Plattformen ergänzt werden. Der Maxprep™ Liquid Handler ist eine ideale Ergänzung der Maxwell®-RSC Extraktionsgeräte, da es automatisierte Vorverarbeitungen sowie nachfolgende Vorbereitungsschritte für Analysen übernimmt und über die Promega Portal-Software in den Datenaustausch im Netzwerk integriert ist. Die intuitive Bedienung mit vorgespeicherten Programmen erleichtert den schnellen Einstieg in den flexiblen automatisierten Arbeitsprozess.

AUTOREN
Tanja López
Promega GmbH, Mannheim

Cristopher Cowan
Luke Roenneburg
Promega Corporation, USA

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