Ein Chip für alle Analyse-Fälle

26. Juni 2007, 19:41
8 Postings

Microarrays gelten als eine der wichtigsten Innovationen der Diagnostik - Sie helfen unter anderem bei der Erforschung der Entstehung von Krankheiten

Microarrays gelten als eine der wichtigsten Innovationen der wissenschaftlichen Diagnostik. Die Biochips werden unter anderem verwendet, wenn es um die Klärung der Frage geht: Welche Stoffe spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Krankheiten?

*****

Akribisch genau mussten die Genforscher mit der Pipette umgehen können. Nur ein Milliliter zu viel an DNA-Lösung, und das Experiment musste wiederholt werden. Hatten sie geduldig Tropfen für Tropfen die richtige Menge abgemessen, wurde das Reagenzglas vorsichtig geschüttelt - und auf eine Reaktion gewartet. Teilweise stundenlang. "Noch Anfang der 1990er-Jahre mussten die Forscher jedes Gen einzeln untersuchen", sagt Gerhard Schütz, Biophysiker an der Johannes-Kepler-Universität Linz. "Eine ungeheure Sisyphosarbeit ist das damals gewesen."

Schütz und seine Kollegen arbeiten zwar auch heute noch mit der Pipette - den Großteil der Fleißarbeit nimmt ihnen allerdings der Computer ab: Mithilfe so genannter Microarrays, kleiner Chips, auf denen so genannte Sondenmoleküle, wie etwa DNA, aufgebracht sind, lassen sich Reaktionen gleich hunderttausendfach und in wenigen Minuten durchführen. "Eine enorme Erleichterung für uns", sagt Schütz. Seitdem das menschliche Erbgut entschlüsselt ist, haben Industrie und Forschung einen enormen Bedarf an dieser Methode, die das Experimentieren im Großmaßstab erst möglich gemacht hat.

"Microarrays sind ein unersetzliches Werkzeug, denn die eigentliche Arbeit beginnt ja erst jetzt", sagt Schütz. Der genetische Text lasse sich zwar schon gut buchstabieren, aber bisher hätte man seine Bedeutung noch nicht vollständig verstanden. Wie das komplizierte Zusammenspiel der Gene funktioniert und welche Aufgaben die dazugehörigen Eiweiße in der komplexen Bio-Maschinerie des Stoffwechsels etwa haben, seien Fragen der Grundlagenforschung, die noch nicht hinreichend geklärt sind.

Konkreter werden die Untersuchungen mithilfe der neuen Technologie, wenn es darum geht, zu klären, welche Stoffe eine Rolle bei der Entstehung von Krankheiten spielen - und welche Substanzen aus den Laboren der Pharmaindustrie dagegen wirken könnten. Dies herauszufinden, ist eine molekularbiologische Mammutaufgabe, die ohne Microarray-Technik nicht mehr vorstellbar ist.

Üblicherweise besteht ein Microarray aus dem Trägermaterial Glas, auf dem die biologischen Sondenmoleküle, wie etwa DNA-Fragmente, Proteine oder Antikörper in hoher Anzahl und Dichte in Matrixform fixiert sind. Sie werden vollautomatisch mit Robotern auf den Glasträger aufgebracht. Je nach Anwendung können sich bis zu einigen Millionen Punkten, so genannte Spots, mit den synthetisch hergestellten Sondenmolekülen auf einem Träger befinden. Und jeder dieser Spots ersetzt ein Reaktionsgefäß.

Bei der derzeit am häufigsten angewandten floureszenzbasierten Methode wird zu den auf dem Träger fixierten einzelsträngigen DNA-Sequenzen bekannter Gene, die zu untersuchende farbmarkierte Erbsubstanz gegeben. Wie ein Schlüssel in das passende Schloss setzen sich daraufhin diese frei beweglichen RNA-Moleküle an die zu ihnen passenden DNA-Abschnitte. Nach einer je nach entsprechender Reaktion spezifischen Zeit werden die nicht gebundenen Moleküle vom Chip gewaschen. Aufgrund der Farbmarkierung sind die Sequenzen mit Reaktion dann lokalisierbar.

Da die Microarray-Analysen äußerst vielseitig sind, werden sie in den verschiedensten Bereichen eingesetzt: Medizin, Pharmazie, Biochemie, Genetik, Mikrobiologie - und auch in der Dopingfahndung. "In einer ersten Studie konnten wir mit der Microarray-Technologie Veränderungen an Blutzellen nach Doping mit einem Wachstumshormon nachweisen", sagt Günter Gmeiner, Leiter des Doping-Kontrolllabors in Seibersdorf.

Auslöser suchen

Hoffnung bietet die Technik auch auf individuelle Therapien und Medikamente: "Mit einem solchen Test lässt sich nach Auslösern für Mutationen im Erbgut suchen, die Krankheiten verursachen können, zum Beispiel Krebs", sagt Jörg Hoheisel vom deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Zusammen mit Hoheisels Kollegen arbeitet Schütz daran, die Auflösung der Microarray-Technik zu verbessern. "Zurzeit braucht man noch vergleichsweise viel Probenmaterial, um relevante Informationen aus der Microarray-Analyse zu bekommen", sagt Hoheisel. Schütz will die Microarray-Technik so weiterentwickeln, dass auch einzelne Proben-Moleküle auf dem Chip zu erkennen und zu beobachten sind, um die Information zur biomedizinischen Diagnostik zu verwenden.

Hilfe bekommt er dabei von Erich Peter Klement, Leiter des Fuzzy Logic Labors an der Kepler-Uni Linz und im Softwarepark Hagenberg. "Die Hauptaufgabe hierbei ist, ein verlässliches Unterscheidungsmerkmal von Einzelmolekülen der gleichen Probe zu finden, das mithilfe der Mustererkennung auch erfasst werden kann." Dann könnten auch einzelne Muster auf dem Biochip per Computer erkannt werden. Bei der derzeitigen Methode werde die Helligkeit der einzelnen Spots nach der Reaktion gemessen.

"Je heller der einzelne Punkt, desto mehr ist dort passiert", sagt Klement. Normale Zellen und farbmarkierte könnten vergleichsweise leicht unterschieden werden. "Das ist natürlich keine rein quantitative Analyse", sagt Gerhard Thallinger von der TU Graz. Bisher könne man ungefähr sagen, an dieser Stelle auf dem Biochip ist es ungefähr doppelt so hell. "Langfristig gesehen versuchen wir nun auch geringe Unterschiede im einstelligen Prozentbereich erkennen zu können", sagt Thallinger. (Denis Dilba/DER STANDARD, Printausgabe, 27. Juni 2007)

  • DNA-Material auf einem Chip, der aus dem Alltag bekannt ist.
    foto: der standard/seibersdorf, illustration: pass

    DNA-Material auf einem Chip, der aus dem Alltag bekannt ist.

Share if you care.