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laborwelt<br />
Nr. 1 / 2012 – 13. Jahrgang<br />
Krebszellanalyse<br />
Farbcode identifiziert<br />
Krebszell-Klone<br />
DNA Enrichment<br />
Anreicherung von Zielgenen<br />
mit Mikrofluidik-Chips<br />
Zellbiologie<br />
Neue Anwendungen für<br />
die Durchflusszytometrie<br />
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Inhalt<br />
<strong>Laborwelt</strong> 1 / 2012<br />
4 Nachrichten aus der Wissenschaft<br />
Eingefrorene Pesterreger; Leuchtturm für Berlin; Biostrom aus der<br />
Stratosphäre; Lehrgang in Kommunikation; Fortgeschrittenes Tumorimaging;<br />
Forscher bauen Hefemagnete; Evolution: DNA springt mit; Auf den Spuren<br />
der Urmenschen<br />
36 Labormarkt im Umbruch<br />
Qiagen schrumpft sich gesund<br />
Krebszellanalyse<br />
TITEL:<br />
Krebszellenanalyse<br />
Brustkrebszellen, die bei der<br />
Operation übersehen werden, sind<br />
der Hauptgrund für eine schlechte<br />
Prognose. Deutsche und holländische<br />
Experten entwickeln derzeit ein<br />
Verfahren, das die Krebszellen schon<br />
bei der OP sichtbar macht (S. 19)<br />
I<br />
Wissenschaft Technologie<br />
17 Auffinden einer Mutation für erblichen Hörverlust mit Capture Arrays<br />
Burkhard Ziebolz, Roche Applied Science, Penzberg<br />
Blitzlicht Fertigung<br />
20 Kunststoff-Know how: Basis für Lab-on-Chips zur Zielgenanreicherung<br />
Manfred Konrada, Sony DADC Austria AG, Salzburg<br />
Blitzlicht Automation<br />
22 Automation der Zielgenanreicherung für den GS FLX<br />
Darren Birr, 454 Life Science, Branford, USA<br />
Expertenpanel Diagnostik<br />
24 Sequenzierungs-basierte Diagnostik<br />
Kerstin Stangier, Dr. Saskia Biskup, Daniela Steinberger, Hanns-Georg Klein<br />
Paperwelt Highlight des Monats<br />
26 Chromothripsis – wenn das Genom explodiert<br />
Jan Korbel, EMBL, Heidelberg<br />
Zellbiologie<br />
III<br />
Wissenschaft Einzelzell-Analyse<br />
6 RGB marking: Klonale Analyse von Krebszellen<br />
Boris Fehse et al., Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf<br />
Expertenpanel Imaging<br />
9 Krebs sehen während der Operation<br />
Dr. Werner Scheuer, Roche Pharma, Penzberg;<br />
Prof. Dr. Go van Dam, Universitätsklinik Groningen, Niederlande<br />
Paperwelt Highlight des Monats<br />
10 DNA-Methylierung als Marker für die Chemotherapie-Resistenz<br />
Matthias Ebert, Universität Heidelberg<br />
Blitzlicht Mikrofluidik<br />
12 Isolierung zirkulierender Tumorzellen<br />
Markus Gusenbauer und Thomas Schrefl,<br />
Fachhochschule St. Pölten, Österreich<br />
Blitzlicht Proteomics<br />
14 Validierung neuer Protein-Biomarker im Kampf<br />
gegen Prostatakrebs<br />
Ralf Schiess et al., Proteomedix AG, Schlieren, Schweiz<br />
Zellbiologie<br />
Spätestens seit EU-Politiker das<br />
Thema Tierversuche entdeckt haben,<br />
wird immer mehr Geld in zellbasierte<br />
Toxizitätstests investiert. Was die<br />
Tests können und nicht können,<br />
diskutieren Thomas Hartung, Jürgen<br />
Hescheler und Dirk Dressler im<br />
Expertenpanel auf Seite 35.<br />
Blitzlicht Zellkultur<br />
28 Schneller Erregernachweis mit Nanomembranen<br />
Bret Barnhizer, Nanologix Inc, Hubbard, USA<br />
Blitzlicht Durchflusszytometrie<br />
30 ReadyFlow – lange Leuchtdauern für Flow Cytometry-Analysen<br />
Dr. Martin Gründkemeyer et al., Technologieförderung Münster GmbH<br />
Paperwelt Impfstoffe<br />
32 Ein Baukasten für Impfstoffverstärker<br />
Carlos Guzman, Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig<br />
DNA Enrichment<br />
II<br />
Zielgen-Anreicherung<br />
Bis auf das PacBio RS-System sind<br />
alle Next-Generation-Sequenzer auf<br />
einen PCR-Schritt vor der eigentlichen<br />
Sequenzierungsarbeit angewiesen,<br />
der Zielsequenzen anreichert. Eine<br />
mit dem GS FLX kompatible Plattform<br />
hat jetzt die Firma Hamilton Robotics<br />
vorgestellt (S. 22).<br />
Blitzlicht Imaging<br />
33 Zellteilungsdauer im High-Content-Screening bestimmen<br />
Andreas Pippow et al., Fraunhofer FIT, St. Augustin; Bayer Healthcare, Berlin<br />
37 Stellenmarkt Aktuelle Jobangebote<br />
38 Verbände Kontakt zu den LABORWELT-Partnerverbänden<br />
39 Produktwelt Neu auf dem Labormarkt<br />
41 Termine Aktuelle Ankündigungen<br />
42 Ausblick/Impressum<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 3
Nachrichten Aktuelles<br />
Forschung<br />
Den Pesterreger einfrieren<br />
Braunschweiger Forscher haben eine<br />
trickreiche Strategie zur Bekämpfung der Pest<br />
entwickelt. Angriffspunkt des Teams um Katja<br />
Böhme vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung<br />
in Braunschweig ist ein Regulatorprotein,<br />
das den Erreger bei Temperaturen<br />
unter 37°C ruhen lässt. Inaktivierten sie das<br />
molekulare Thermometer durch genetische<br />
Manipulation, konnte ein naher Verwandter<br />
des Pesterregers – das Durchfallbakterium<br />
Yersinia pseudotuberculosis – nicht mehr sein<br />
krankmachendes Programm im menschlichen<br />
Körper starten. Dieses wird durch das<br />
Schlüsselprotein LcrF aktiviert. Damit LcrF<br />
das bakterielle Verteidigungsprogramm<br />
scharfstellen kann, muss jedoch erst der<br />
Transkriptionsrepressor YmoA von der DNA<br />
gelöst werden. Dies geschieht in intakten<br />
Krankheitserregern, sobald sie in den Körper<br />
gelangen und die Temperatur auf 37 °C steigt.<br />
Auch die LcrF-mRNA kann nur bei Körpertemperatur<br />
abgelesen werden; vorher bildet sie<br />
ein nicht ablesbares Knäuel. „Wir konnten die<br />
Temperaturkontrolle von LcrF gleich auf zwei<br />
Ebenen beeinflussen“, so Böhme. „Zunächst<br />
haben wir die Menge von YmoA künstlich<br />
gesteigert und so das Gen für den Regulator<br />
LcrF inaktiviert.“ Zusätzlich tauschten die Forscher<br />
einzelne mRNA-Bausteine aus, so dass<br />
sich YmoA auch bei Körpertemperatur nicht<br />
mehr in seine Funktionsform entfalten konnte.<br />
Daraufhin war das Immunsystem in der Lage,<br />
die Erreger zu beseitigen.<br />
Ihre Forschungsergebnisse sehen die Forscher<br />
als Grundlage für die Entwicklung eines<br />
neuen Medikamentes. „Ein Molekül, das die<br />
mRNA von LcrF wie eine Klammer zusammenhält,<br />
würde die Yersinien inaktivieren<br />
und sie so dem Immunsystem ausliefern“, so<br />
Abteilungsleiterin Petra Dersch. Außerdem<br />
würde ein solcher Wirkstoff ausschließlich die<br />
krankmachenden Yersinien treffen, da nur sie<br />
dieses molekulare Thermometer besitzen.<br />
Kommunikation<br />
Nachhilfe in<br />
Medienkompetenz<br />
Keine Geheimbünde, kein Elfenbeinturm<br />
und kein Fachkauderwelsch – Wissenschaftler<br />
sollen ihre gewonnenen Erkenntnisse publik<br />
machen. Ein neugegründetes Institut wird den<br />
gewillten Forschern künftig beibringen, wie<br />
man gut mit der Öffentlichkeit kommuniziert:<br />
Wie Ende Februar bekannt wurde, soll das von<br />
der Klaus-Tschira-Stiftung gegründete Nationale<br />
Institut für Wissenschaftkommunikation<br />
(NaWik) im Oktober 2012 mit dem Lehrbetrieb<br />
beginnen. Es ist am Karlsruher Institut<br />
für Technologie (KIT) angesiedelt und wird<br />
zunächst für fünf Jahre mit insgesamt bis zu<br />
10 Mio. Euro gefördert. Das NaWik kooperiert<br />
mit der Nature Publishing Group, zu der unter<br />
anderem auch Spektrum der Wissenschaft,<br />
Nature und Scientific American gehört.<br />
Zunächst ist geplant, Module zu entwickeln,<br />
die in die naturwissenschaftliche Ausbildung<br />
von Doktoranden und Master-Studenten am<br />
KIT integriert werden. Später sollen dann die<br />
besten Modelle deutschlandweit an Universitäten<br />
und Forschungsinstituten angeboten<br />
sowie Weiterbildungsmöglichkeiten auch<br />
für Postdocs und Gruppenleiter geschaffen<br />
werden.<br />
Forschung<br />
Leuchtturm für<br />
die Hauptstadt<br />
Ende Februar fiel die Grundsatzentscheidung:<br />
Teile des Max-Delbrück-Centrums für<br />
Molekulare Medizin und der Charité Universitätsmedizin<br />
Berlin werden zusammengeführt.<br />
Die Erwartungen, die Bundesforschungsministerin<br />
Annette Schavan an das neue Berlin<br />
Institute of Health stellt, sind groß: „Mit diesem<br />
Projekt können wir eine Einrichtung von<br />
Weltrang für die Gesundheitsforschung schaffen“<br />
– und zwar in Sachen Spitzenforschung,<br />
wie auch die Nachwuchsförderung.<br />
Die Entscheidung hat Signalwirkung für<br />
ganz Deutschland. Wenn mit der Exzellenzinitiative<br />
2017 bedeutende Geldmittel vom<br />
Bund wegfallen, dürfte an einigen Unis der<br />
Ruf nach alternativen Finanzierungskonzepten<br />
laut werden. Einrichtungen wie das<br />
Karlsruhe Institute of Technology (KIT) oder<br />
das Berlin Institute of Health könnten dann<br />
als Vorbild dienen.<br />
Von 2013 an sollen die beiden Einrichtungen<br />
verstärkt miteinander kooperieren, in<br />
einer zweiten Phase soll dann die strukturelle<br />
Weiterentwicklung hin zum Berlin Institute of<br />
Health erfolgen. Ob und wieviel Geld es dafür<br />
gibt, wurde indes nicht bekannt.<br />
Brennstoffzelle<br />
Biostrom aus der Stratosphäre<br />
Biologen der Universität Newcastle haben<br />
aus einer Flusswasserprobe sieben exoelektrogene<br />
Bakterien isoliert und zur Stromproduktion<br />
in einer mikrobiellen Brennstoffzelle eingesetzt.<br />
Die Ergebnisse des Teams um Jinwei Zhang<br />
und Grant Burgess wurden in Environmental<br />
Science and Technology veröffentlicht. Ließen<br />
die Briten die Mikroben als Biofilm auf den<br />
Kohlenstoffeletroden wachsen, produzierten<br />
sie soviel Strom, dass eine Lampe aufleuchtete.<br />
Als besonders effektiv erwiesen sich dabei zwei<br />
„Außerirdische“, auf die die Wissenschaftler<br />
überraschenderweise in ihrer Probe gestoßen<br />
waren: Bacillus stratosphericus und Bacillus<br />
altitudinis kommen in den oberen Schichten<br />
der Atmosphäre vor.<br />
In den mikrobiellen Brennstoffzellen (microbial<br />
fuel cells, MFC) der Forscher besiedeln die<br />
exoelektrogenen Mikroorganismen als Biofilm<br />
die Kohlenstoffelektroden. Über den Prozess<br />
der katalytischen Oxidation setzen sie dort<br />
organische Verbindungen in Elektrizität um.<br />
Jinwei und Burgess fanden heraus, dass auch<br />
die Zusammensetzung des Biofilms Einfluss<br />
auf die Stromproduktion hat: Biofilme aus<br />
einer einzigen Art waren denen aus mehreren<br />
Arten unterlegen. Mit einem Mix aus den 25<br />
besten (bereits bekannten und neu entdeckten)<br />
exoelektrogenen Bakterienarten erreichten<br />
die Forscher eine Leistung von 200 mW pro<br />
Quadratmeter.<br />
Allerdings ist der Weg von der Labor-MCF<br />
zur Stromproduktion noch weit. Vom Labormaßstab<br />
bis in die großtechnische Produktion<br />
veranschlagen Experten rund 10 bis 20 Jahre.<br />
4 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Aktuelles Nachrichten<br />
Forschung<br />
Echtzeit-Imaging verrät Tumorgewebe<br />
Irische Forscher haben ein neues Verfahren<br />
entwickelt, mit dessen Hilfe man in Echtzeit<br />
genau beobachten kann, wo sich im Körper<br />
Tumorgewebe befindet. Ziel der Gruppe um<br />
Erstautorin Michelle Cronin vom Universitäts-<br />
College Cork (UCC) ist es, Bakterien zur Bekämpfung<br />
von Krebs einzusetzen. Weil die Mikroben<br />
sich mit Vorliebe in Tumorgewebe aufhalten,<br />
versprechen sie ein exaktes Tumortargeting.<br />
Um das Fernziel zu erreichen, mussten die<br />
Mikrobiologen jedoch zuerst sicherstellen,<br />
dass die Bakterien das Krebsgewebe verlässlich<br />
erkennen und besiedeln. Ende Januar<br />
gelang der Nachweis: die Iren präsentierten<br />
ein Bildgebungsverfahren, mit dem sie den<br />
Weg der Bakterien dreidimensional in vivo verfolgen<br />
können. Dazu injizierten sie mit einem<br />
Biolumineszenz-Gen ausgestattete Bakterien<br />
ins Blut von Mäusen. Dank neuer optischer 3D-<br />
Tomographen konnten sie den Aufenthaltsort<br />
und die Anzahl der leuchtenden Einzeller so<br />
genau wie nie zuvor bestimmen.<br />
Bereits seit 15 Jahren wird am Tumortargeting<br />
mit Bakterien geforscht – am intensivsten<br />
an Salmonella typhimurium. Erste klinische<br />
Studien mit Salmonellen ergaben indes, dass<br />
der therapeutische Nutzen die Gefahr, eine<br />
Immunantwort oder Krankheiten auszulösen,<br />
nicht aufwiegt. Die irischen Onkologen testeten<br />
daher auch nicht-pathogene Bakterien. Das<br />
Fazit der Forscher: Sie finden Krebs ebenso<br />
effektiv wie Salmonellen. Diese wollen die Iren<br />
nutzen, um Chemotherapeutika gezielt in den<br />
Tumor zu schleusen.<br />
Genetik<br />
Evolution:<br />
DNA springt mit<br />
Wiener Tiermediziner haben bei der Taufliege<br />
Drosophila malanogaster erstmals alle<br />
springenden Gene und deren Einbauorte<br />
komplett kartographiert. Die Transposons beeinflussen<br />
die Evolution offenbar viel stärker<br />
als gedacht, so das Fazit der Wiener Forschergruppe<br />
um Christian Schlötterer. Nach Durchzählen<br />
aller mobilen DNA-Elemente in einer<br />
Drosophila-Population mit einem eigens für<br />
diesen Zweck entwickelten Verfahren stellten<br />
die Forscher überraschenderweise fest, dass<br />
es im Genom viel mehr Stellen gibt, in die<br />
die Transposons potentiell springen können,<br />
als bisher gedacht (PLoS Genetics (2012):<br />
8(1):e1002487.). An insgesamt 13 Einbaustellen<br />
– bisher waren nur zwei bekannt – fanden<br />
die Forscher stabil eingebaute springende<br />
Gene, die sich sich offenbar positiv auf die<br />
Tiere auswirken. Für Schlötterer ein Beweis<br />
für die Bedeutung der Transposons in der<br />
Evolution: „Wir sollten sie überhaupt nicht als<br />
Parasiten sehen. Sie gehören möglicherweise<br />
zu den Mechanismen, mit denen Organismen<br />
ihr genetisches Repertoire vergrößern, um<br />
besser auf zukünftige Herausforderungen<br />
vorbereitet zu sein.“<br />
Mikrobiologie<br />
Forscher bauen Hefe-Magneten<br />
Forscher der Universität Harvard (Boston,<br />
USA) haben Hefezellen magnetisch gemacht.<br />
Dafür bedarf es nur überraschend weniger<br />
molekularer Tricks: Wie sie im Fachmagazin<br />
PLoS Biology berichten, orientiert sich die<br />
aufgerüstete Bäckerhefe in der Petrischale<br />
entlang magnetischer Feldlinien.<br />
Um Saccharomyces cerevisiae den Sinn<br />
für Magnetismus einzuimpfen, mussten die<br />
Forscher um Pamela Silver und Keiji Nishida<br />
zunächst das Gen für ein Eisentransportprotein<br />
zerstören, das das Eisen in die Vakuolen der<br />
Zelle entsorgt. Da das so im Zytosol angereicherte<br />
Eisen auch toxisch wirken kann, ließen<br />
die Forscher die Hefen daraufhin das menschliche<br />
Eisenspeicherprotein Ferritin herstellen.<br />
Ferritin umhüllt die Eisenionen. Damit kann<br />
eine größere Menge Eisen in der Zelle toleriert<br />
werden. Diese beiden Veränderungen reichten<br />
schon aus, um die Zelle für einen Magneten zu<br />
sensibilisieren. Doch Nishida und Silver war das<br />
nicht genug: Sie identifizierten ein Hefe-Gen,<br />
das die magnetische Sensibilität beeinflusst.<br />
Nachdem sie Extrakopien dieses Gens in die<br />
Hefezellen eingeschleust hatten, wurden die<br />
Zellen nochmals magnetischer.<br />
Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn<br />
versprechen magnetisch gemachte<br />
Zellen eine Reihe künftiger Anwendungen: die<br />
gezielte Verabreichung von Medikamenten, die<br />
Aufreinigung von Zellpopulationen oder die<br />
Detektion von Krebszellen. Allerdings sei es bis<br />
zu möglichen Anwendungen laut den Forschern<br />
noch ein weiter Weg.<br />
Mit Magneten in Form gebrachte Hefezellen<br />
Paläogenomik<br />
Auf den Spuren<br />
der Ur-Menschen<br />
Vor zwei Jahren überraschten die Leipziger<br />
Paläogenetiker um Svante Pääbo vom Max-<br />
Planck-Institut für Evolutionäre Anthropologie<br />
mit der Entdeckung einer neuen fossilen<br />
Menschenform. Jetzt haben sie im Internet<br />
die komplette DNA-Sequenz des Genoms des<br />
Denissova-Menschens in 30-facher Abdeckung<br />
offengelegt.<br />
In der Denissova-Höhle im Altai-Gebirge<br />
fanden russische Forscher 2008 das Fragment<br />
eines Fingerknochens. Die Analyse der daraus<br />
extrahierten DNA in Leipzig ergab, dass es<br />
sich weder um einen modernen Menschen<br />
(Homo sapiens) noch um einen Neanderthaler<br />
(Homo neanderthalensis) handelte. Der „Homo<br />
denisova“ war entdeckt. Er gilt als einer der<br />
Vorfahren polynesischer und australischer<br />
Ureinwohner.<br />
2010 wurde die vorläufige Sequenz des<br />
Denissova-Genoms mit 2-facher Coverage veröffentlicht.<br />
Die Wissenschaftler hoffen, dass<br />
mit den neuen, viel genaueren Daten , die auch<br />
repetitive genomische Bereiche gut abdecken,<br />
genetische Veränderungen aufgespürt werden<br />
können, die für die Entwicklung des modernen<br />
Menschen wichtig waren.<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 5
Krebszellanalyse Einzelzell-Analyse<br />
I Krebszellanalyse RGB marking :<br />
Vielfarbige Zellmarkierung<br />
zur klonalen Analyse<br />
Dr. Kristoffer Weber, Michael Thomaschewski, Michael Warlich, Dr. Kerstin Cornils,<br />
PD Dr. Daniel Benten, Prof. Dr. Boris Fehse; Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf<br />
Biomarker sind ein Hauptprodukt der 7.000<br />
Publikationen über Krebs, die jeden Tag erscheinen,<br />
und von Großprojekten wie dem<br />
internationalen Krebsgenom-Projekt. Die<br />
Kunst besteht darin, aus der Fülle Kandidatengene,<br />
-RNAs, Proteine und Metabolite<br />
die biologisch relevanten herauszufiltern<br />
und auf dieser Basis Frühererkennungstests<br />
zu entwickeln. Denn noch immer gilt: je<br />
früher der Krebs erkannt wird, desto besser<br />
die Aussichten für den Patienten.<br />
Biomarker gesucht<br />
Über einen DNA-Methylierungsmarker,<br />
der anzeigt, ob Darmkrebspatienten auf<br />
eine Chemotherapie ansprechen, berichtet<br />
hier eine Gruppe um Matthias Ebert<br />
(Paper of the month). Die Forscher haben<br />
per DNA-Sequenzierung nicht nur den<br />
Transkriptionsfaktor, sondern auch den<br />
betroffenen Signalweg ausgemacht, der<br />
die Therapieresistenz bedingt. Mittels<br />
massenspektrometrischer Proteomanalyse<br />
haben dagegen Forscher der Universitätsausgründung<br />
Proteomedix vier Biomarker-<br />
Proteine identifiziert, die die Spezifität der<br />
Prostatakrebsdiagnose um mehr als 40%<br />
verbessert. Ihren Test sieht die Gruppe<br />
um Dr. Ralph Schiess als Ergänzung zum<br />
PSA-Test. Noch im Forschungsstadium<br />
ist dagegen eine von Thomas Schrefl und<br />
Kollegen (Technische Hochschule St. Pölten,<br />
Österreich) entwickelte Simulationssoftware,<br />
die die Optimierung mikrofluidischer<br />
Chips ermöglichen soll, die wie ein Molekularsieb<br />
zirkulierende Tumorzellen aus dem<br />
Blut filtern und so eine Früherkennung der<br />
Metastasierung erkennen.<br />
Über eine Technik, die es erstmals gestattet,<br />
die Entwicklung einzelner Tumorstammzellzellen<br />
zu verfolgen, hat jetzt<br />
ein Team vom Universitätskrankenhaus<br />
Hamburg-Eppendorf entwickelt. Zwar ist<br />
der methodische Fortschritt bei der Analyse<br />
von Krebs und Tumoren langsam. Die Integration<br />
der Daten über Biomarker verspricht<br />
für die Zukunft aber ein besseres Verständnis<br />
dieses komplexen Krankheitsbildes.<br />
Lentivirale Vektoren integrieren in das Zielzellgenom und erlauben so die permanente Markierung<br />
genetisch modifizierter Zellen und ihrer Nachkommen. Kodieren die eingebrachten Vektoren für<br />
Fluoreszenzproteine, lassen sich markierte Zellen anhand der emittierten Fluoreszenz im Mikroskop<br />
oder mit Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) identifizieren. Wir konnten kürzlich<br />
zeigen, dass die simultane lentivirale Expression dreier Fluoreszenzproteine (Rot, Grün, Blau = RGB<br />
marking) im Einklang mit dem additiven Farbmodell zur Generierung spezifischer Mischfarben<br />
führt, welche an die Tochterzellen vererbt und so zu einer klonalen Eigenschaft werden. Darauf<br />
aufbauend eignet sich das RGB marking mit lentiviralen LeGO-Vektoren für die Verfolgung von<br />
Zellklonen sowohl im Rahmen der normalen Regeneration als auch der Kanzerogenese.<br />
Von Retroviren abgeleitete Vektoren haben sich<br />
als vielseitige Werkzeuge für die zellbiologische<br />
Forschung und die Gentherapie erwiesen. Ihre<br />
stabile Integration in das Zielzellgenom erlaubt<br />
die in vitro- und in vivo-Untersuchung langfristiger<br />
Effekte der Expression eingebrachter<br />
Transgene 1 . Auch für viele Anwendungen in der<br />
Gentherapie ist eine stabile Langzeitexpression<br />
des eingebrachten, therapeutischen Gens essentiell<br />
2 . Umgekehrt können retrovirale Vektoren<br />
auch benutzt werden, um interessierende Gene<br />
über lange Zeiträume mit Hilfe der RNA-Interferenz<br />
abzuschalten oder herunterzuregulieren 3 .<br />
Allerdings ist die weitgehend ungerichtete<br />
Integration retroviraler Vektoren in das Zielzellgenom<br />
mit dem Risiko der unbeabsichtigten<br />
Aktivierung oder Zerstörung betroffener Genloci<br />
durch Insertionsmutagenese verbunden, welche<br />
im ungünstigsten Fall zur malignen Transformation<br />
der Zelle führen kann 4 .<br />
Um das Risiko der Insertionsmutagenese zu<br />
minimieren, wurde die Architektur retroviraler<br />
Vektoren dahingehend optimiert, dass die starken<br />
viralen Promotoren und Enhancer aus den<br />
long terminal repeats (LTRs) entfernt wurden.<br />
Die Entwicklung solcher selbst-inaktivierenden<br />
(SIN-)Vektoren mit nicht-viralen Promotoren<br />
hat zu einer signifikanten Verringerung des<br />
Risikos der Insertionsmutagenese im Tiermodell<br />
geführt 5,6 .<br />
LeGO-Vektoren und Fluoreszenzproteine<br />
zur Zellmarkierung<br />
Eine weitere Möglichkeit der Risikoverringerung<br />
ist die Entwicklung von Vektoren auf Basis von<br />
Retroviren, die ein anderes Integrationsmuster<br />
aufweisen. So hat sich gezeigt, dass die als<br />
Ausgangsbasis für retrovirale Vektoren der<br />
ersten Generation benutzten γ-Retroviren<br />
vom MLV-Typ (MLV = Murines Leukämievirus)<br />
eine Tendenz zur verstärkten Integration in<br />
Promotor- und Enhancerregionen von Genen<br />
aufweisen, die als besonders anfällig für die<br />
Insertionsmutagenese gelten 7 . Dagegen integrieren<br />
vom Humanen Immundefizienzvirus<br />
(HIV) abgeleitete, lentivirale Vektoren 1 bevorzugt<br />
in transkribierte Sequenzbereiche außerhalb<br />
der Promotor- und Enhancerregionen 8 . Andere,<br />
wie die α-Retroviren, scheinen sogar ein völlig<br />
neutrales Integrationsbild zu zeigen, was sie zu<br />
vielversprechenden Kandidaten für die Vektorentwicklung<br />
macht 9 .<br />
Lentivirale (SIN-) Vektoren werden aufgrund<br />
ihrer sehr hohen Effizienz in den unterschiedlichsten<br />
Zellsystemen und des angesprochenen<br />
geringeren Risikos einer Insertionsmutagenese<br />
derzeit in vielen Labors für die Transgenese<br />
benutzt. Wir haben kürzlich ein modulares<br />
Vektorsystem entwickelt, welches dem<br />
Baukastenprinzip folgt. Diese „lentiviralen<br />
Gen-Ontologie“(LeGO)-Vektoren erlauben die<br />
permanente Überexpression sowie die Herunterregulation<br />
von zu untersuchenden Genen 10, 11 .<br />
Eine weitere, sehr interessante Anwendung der<br />
LeGO-Vektoren ist die permanente Zellmarkierung.<br />
Die Markierung und die damit verbundene<br />
Wiedererkennbarkeit von Zellen und deren<br />
Tochterzellen hat wesentlich zu einem besseren<br />
Verständnis normaler Regenerationsprozesse<br />
sowie der Entstehung und Entwicklung maligner<br />
Krankheiten beigetragen 12 . Einen dauerhaften<br />
Entwicklungsschub für Markierungsansätze<br />
brachte in diesem Kontext die 2008 mit dem Nobelpreis<br />
für Chemie ausgezeichnete Entdeckung<br />
fluoreszierender Proteine und ihre Entwicklung<br />
als Markergene 13, 14 . Allerdings ist trotz einer<br />
Vielzahl neu beschriebener Fluoreszenzproteine<br />
die Zahl unterschiedlicher und tatsächlich<br />
unterscheidbarer Marker auf eine Handvoll beschränkt<br />
15 . Praktisch bedeutet dies zum Beispiel,<br />
6 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Einzelzell-Analyse Krebszellanalyse<br />
Abb. 1: (a) Nach dem additiven Farbmodell entstehen durch die Mischung der drei Grundfarben<br />
Rot, Grün und Blau die drei Farben Gelb, Cyan und Magenta sowie Weiß, wenn alle<br />
drei Grundfarben überlagern. (b) Erfolgt die Mischung stufenlos, können theoretisch<br />
unendlich viele Farbtöne generiert werden. (c) Drei lentivirale Vektoren, die jeweils ein<br />
Fluoreszenzprotein in einer der drei Grundfarben exprimieren, werden gleichzeitig zur<br />
Transduktion von Zellen in vitro verwendet. Je nachdem, durch welche Vektoren eine<br />
Zelle transduziert wurde, wird sie verschiedene Kombinationen der Fluoreszenzproteine<br />
exprimieren. (d) RGB-markierte Zelllinien HEK-293T, BON und FH-hTERT. Durch die<br />
klonale Markierung der Zellen ist das unterschiedliche Wachstumsverhalten der verschiedenen<br />
Zelllinien in vitro erkennbar. [Modifiziert, nach Nat. Med. 17 (2011), 504-509]<br />
dass auf der Basis einer permanenten Zellmarkierung<br />
mit den vorhandenen Fluoreszenzproteinen<br />
zwar die Organregeneration als ganzes,<br />
nicht jedoch der tatsächliche Beitrag einzelner<br />
Zellklone visuell nachvollziehbar ist 16 .<br />
Genau der Beitrag distinkter Zellklone zur<br />
normalen Gewebsregeneration und zur überschießenden<br />
Regeneration und dem Auswachsen<br />
maligner Tumoren war es, der uns interessierte<br />
– vor allem im Rahmen eines Projektes des<br />
SFB841 „Leberentzündung: Infektion, Immunregulation<br />
und Konsequenzen“. Daher standen wir<br />
vor der Aufgabe, mit der vorhandenen, begrenzten<br />
Zahl unterscheidbarer Fluoreszenzproteine<br />
eine möglichst unbegrenzte Zahl unterschiedlicher<br />
Zellklone definitiv identifizierbar zu<br />
machen. Eine Lösung dieses Paradoxons ergab<br />
sich aus der additiven Farbenlehre. Danach lässt<br />
sich in einem dreidimensionalen Farbraum aus<br />
den drei Grundfarben (Rot, Grün und Blau, RGB)<br />
jede beliebige Mischfarbe generieren (Abb. 1a,<br />
b). Dieses Verfahren der Farbmischung aus den<br />
Grundfarben wird zum Beispiel auch in Fernsehern<br />
und Computerbildschirmen verwendet.<br />
Die Frage war, ob sich das RGBPrinzip auch auf<br />
die LeGOVektor vermittelte Expression dreier<br />
Fluoreszenzproteine in lebenden Zellen anwenden<br />
lässt (Abb. 1c).<br />
Um dies zu testen, benutzten wir drei LeGO<br />
Vektoren, die für jeweils ein Fluoreszenzprotein<br />
kodierten: LeGOC2 für mCherry (Rot), LeGOV2<br />
für Venus (Gelbgrün) und LeGOCer2 für Cerulean<br />
(Blau). Die Transduktion der Zielzellen<br />
erfolgte gleichzeitig mit allen drei Vektoren<br />
mit zuvor berechneten identischen Mengen<br />
infektiöser Partikel (sog. MOI = Multiplizität der<br />
Infektion). Die MOI war dabei so eingestellt, dass<br />
mit jedem einzelnen der drei Vektoren ca. 50%<br />
WORKING WITH NANO-GOLD<br />
TRY: PARTICULAR ®<br />
GOLD NANOPARTICLES!<br />
made by physical<br />
laser ablation:<br />
Î<br />
Î<br />
Î<br />
pure, ligand-free gold<br />
without citrate or other residues<br />
available in water and other<br />
solvents<br />
direct conjugation to your<br />
biomolecules in our labs:<br />
Î<br />
Î<br />
Î<br />
high conjugation efficiency<br />
high surface coverage<br />
particle sizes between<br />
5 and 50 nm<br />
Particular GmbH<br />
Hannover, Germany info@particular.eu particular.eu
Krebszellanalyse Einzelzell-Analyse<br />
Abb. 2: (a) Zahlreiche RGB-markierte Lebertumoren sind nach der Transplantation RGBmarkierter<br />
BON-Zellen im Leberschnitt sichtbar. Die meisten Tumoren sind einfarbig,<br />
einige mehrfarbig. (b) Einfarbige Tumoren wurden explantiert und in vitro kultiviert.<br />
(c) Sekundäre Tumoren nach Retransplantation der Zellen aus den primären Tumoren.<br />
Alle sekundären Tumoren sind einfarbig. (d) Sekundäre Tumoren nach Retransplantation<br />
gemischter Zellen beider primärer Tumoren. Hier sind sowohl einfarbige<br />
als auch gemischte, zweifarbige Tumoren sichtbar. (e) Molekulare Analyse der sekundären<br />
Tumoren (aus c und d) durch Insertionsstellen-spezifische PCR, zum Nachweis<br />
der klonalen Identität. [Modifiziert, nach Nat. Med. 17 (2011), 504-509].<br />
aller Zellen transduziert wurden. Somit waren<br />
aus kombinatorischer Sicht acht verschiedene<br />
Gruppen transduzierter Zellen zu erwarten,<br />
die jeweils 12,5% aller Zellen umfassen sollten<br />
(Tab. 1) 17 . Vier dieser Gruppen waren durch die<br />
Expression mindestens zweier unterschiedlicher<br />
Fluoreszenzproteine charakterisiert und ließen<br />
mithin die für das RGB marking notwendige<br />
Entstehung von Mischfarben erwarten (Tab. 1).<br />
Eine grundlegende Voraussetzung für die Vielfalt<br />
der generierten Mischfarben bestand darin, dass<br />
die zu mischenden Grundfarben in unterschiedlichen<br />
Intensitäten vorliegen. Beim RGB marking<br />
mit LeGO-Vektoren sollte dies durch zwei wichtige<br />
Parameter des Gentransfers gewährleistet<br />
werden: Erstens, kann bei Gentransferraten von<br />
mehr als 50% pro Vektor davon ausgegangen<br />
werden, dass in einzelnen Zellen die Zahl der<br />
Vektorinsertionen für jede Farbe zwischen<br />
eins und drei variiert 18, 19 . Zweitens ist bekannt,<br />
Tab. 1: Bei einer Transduktionsrate von 50%<br />
je Farbe, sind die dargestellten Gruppengrößen<br />
zu erwarten.<br />
Vektoren pro Zelle Gruppengröße<br />
rot 12,5 %<br />
grün 12,5 %<br />
blau 12,5 %<br />
rot + grün 12,5 %<br />
rot + blau 12,5 %<br />
grün + blau 12,5 %<br />
rot + grün + blau 12,5 %<br />
nicht transduziert 12,5 %<br />
dass die Integrationsstelle eines Vektors einen<br />
signifikanten Einfluss auf die Expression des<br />
eingebrachten Transgens hat 19 .Die entscheidende<br />
Frage war, ob diese beiden Parameter<br />
zusammengenommen nicht nur hochspezifisch<br />
für eine gegebene Zelle sind, sondern auch an<br />
alle Tochterzellen weitergegeben werden und<br />
somit einen klonalen Marker darstellen.<br />
Wie erste Analysen in vitro mit HEK293T-<br />
Zellen zeigten, erlaubte das RGB marking<br />
tatsächlich die Identifikation von Zellklonen<br />
anhand der spezifischen Farbe, die allen Zellen<br />
des Klons gemein war (Abb. 1d) 17 . Dabei werden<br />
die verschiedenen Zellklone anhand ihrer individuellen<br />
Farbe im Fluoreszenzmikroskop direkt<br />
sichtbar gemacht, ohne dass die Zellintegrität<br />
zerstört werden muss (Abb. 1d). Damit ist eine<br />
Klonalitätsanalyse in sehr kurzer Zeit möglich.<br />
Im nächsten Schritt war die für die Anwendbarkeit<br />
des RGB marking entscheidende<br />
Frage der Farbkonstanz in vivo zu klären.<br />
Eines der von uns dazu benutzten Modelle<br />
basierte auf der seriellen Transplantation von<br />
RGB-markierten karzinogenen BON-Zellen.<br />
Wie erwartet hatten die RGB-markierten<br />
BON-Zellen in primären Rezipienten Lebertumoren<br />
gebildet, die in der Mehrzahl aus Zellen<br />
ein- und derselben Farbe bestanden (Abb. 2a) 17 .<br />
Allerdings waren auch einige „Mischtumoren“<br />
nachweisbar (Abb. 2a) 17 . Wir explantierten einige<br />
der monochromen Tumoren, vereinzelten<br />
die Zellen und nahmen diese in Kultur. Wie wir<br />
zeigen konnten, wiesen alle aus einem Tumor<br />
isolierten Zellen über den gesamten Beobachtungszeitraum<br />
hinweg dieselbe Farbe wie der<br />
Ursprungstumor auf (Abb. 2b) 17 . Wurden diese<br />
Zellen in sekundäre Rezipienten transplantiert,<br />
entstanden erneut Tumoren, die durch die<br />
gleiche RGB-Farbe wie der Ausgangstumor<br />
charakterisiert waren (Abb. 2c) 17 . Mischten wir<br />
für die Transplantation RGB-markierte Zellen,<br />
die von zwei unterschiedlichen Tumoren<br />
abstammten, entstanden in den Sekundärrezipienten<br />
sowohl monochrome Tumoren, die<br />
den beiden Ausgangstumoren entsprachen,<br />
als auch zweifarbige Tumoren, die aus Zellen<br />
beider Ausgangstumoren bestanden (Abb.<br />
2d) 17 . Folglich haben nicht die Zellen innerhalb<br />
eines Tumors in vivo ihre Farbe geändert, sondern<br />
mehrfarbige Tumoren sind aus mehreren<br />
Zellen verschiedener Farbe entstanden. Mit<br />
diesen sowie damit einhergehenden molekularbiologischen<br />
Untersuchungen (Abb. 2e)<br />
konnten wir nachweisen, dass das RGB marking<br />
eine klonale, langfristige und eindeutige<br />
Zellmarkierung in vivo ermöglicht 17 .<br />
Insgesamt ist es uns gelungen, mit dem RGB<br />
marking eine neue Methode der klonalen Zellmarkierung<br />
zu entwickeln, die für unterschiedlichste<br />
Anwendungen sowohl in Modellen der<br />
regenerativen Medizin als auch der Kanzerogenese<br />
von großem Interesse sein dürfte.<br />
Literatur<br />
[1] Naldini, L. et al., Science 272 (1996), 263-267<br />
[2] Alexander, B.L. et al., Gene Ther. 14 (2007),1439-1447<br />
[3] Singer, O., Verma, I.M., Curr Gene Ther. 8 (2008), 483-488<br />
[4] Baum, C. et al., Hum Gene Ther. 17 (2006), 253-263<br />
[5] Cornils, K. et al., Mol Ther. 17 (2009), 131-143<br />
[6] Zychlinski, D. et al., Mol Ther. 16 (2008), 718-725<br />
[7] Wu, X. et al., Science 300 (2003),1749-1751<br />
[8] Wang, G.P. et al., Genome Res. 17 (2007), 1186-1194<br />
[9] Suerth, J.D. et al., J Virol. 84 (2010), 6626-6635<br />
[10] Weber, K. et al., Mol Ther. 16 (2008), 698-706<br />
[11] Weber, K. et al., Gene Ther. 17 (2010), 511-520<br />
[12] Barese, C.N., Dunbar, C.E., Hum Gene Ther. 22 (2011),<br />
659-668<br />
[13] Giepmans, B.N. et al., Science 312 (2006), 217-224<br />
[14] Chalfie, M., PNAS USA, 106 (2009), 10073-10080<br />
[15] Shaner, N.C. et al., Nat Methods 2 (2005), 905-909<br />
[16] Vafaizadeh, V. et al., Stem Cells 28 (2010), 928-938<br />
[17] Weber, K. et al., Nat Med. 17 (2011), 504-509<br />
[18] Fehse, B. et al., Gene Ther. 11 (2004), 879-881<br />
[19] Kustikova, O.S. et al., Blood 102 (2003), 3934-9397<br />
Wir möchten uns bei vielen Kollegen bedanken, die uns mit<br />
Zellen und Konstrukten unterstützt haben: H. Wege (Universitätsklinikum<br />
Hamburg-Eppendorf) für FH-hTERT Zellen, R.Y.<br />
Tsien (Howard Hughes Medical Institute) mCherry cDNA, A.<br />
Miyawaki (RIKEN) und T. Schroeder (Institute for Stem Cell Research)<br />
Venus cDNA und D.W. Piston (Vanderbilt-Ingram Cancer<br />
Center) für Cerulean cDNA. Durchflusszytometrie wurde in der<br />
FACS Sorting Core Unit des Universitätsklinikums Hamburg-<br />
Eppendorf durchgeführt. Konfokale Mikroskopie wurde mit<br />
Hilfe von O. Bruns (Heinrich-Pette-Institut Hamburg) in Zusammenarbeit<br />
mit dem Nikon Application Center Norddeutschland<br />
durchgeführt. Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Deutsche<br />
Forschungsgemeinschaft (SFB841 an B.F. und D.B.) und<br />
die Nachwuchsförderung des Forschungsförderungsfonds der<br />
Medizinischen Fakultät Hamburg (NWF-12/09 an K.W.).<br />
Korrespondenzadresse<br />
Prof. Dr. Boris Fehse<br />
Forschungsabteilung Zell- und Gentherapie<br />
Klinik für Stammzelltransplantation<br />
Onkologisches Zentrum – UCCH<br />
UK Hamburg-Eppendorf<br />
Martinistr. 52, 20246 Hamburg<br />
Tel./Fax: +49-40-7410-55518/-55468<br />
8 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Expertenpanel Krebszellanalyse<br />
Real-time Tumor-Imaging<br />
Bereits seit 60 Jahren träumen Krebschirurgen davon, Tumore spezifisch anzufärben und<br />
diese dann während der Operation besser sichtbar machen zu können. Denn ein verbessertes<br />
Erkennen und Entfernen des Tumorgewebes verspricht bessere Aussichten für die Patienten.<br />
Bisherige krebsspezifische Farbstoffe blieben indes meist im Tierversuchsstadium, weil ihre<br />
Eigenschaften nicht ohne weiteres auf den Menschen übertragen werden können und daher die<br />
Kosten klinischer Studien von mehr als 1 Mio. Euro als zu risikoreich galten. Zusätzlich erfassten<br />
Fluoreszenzkameras nicht nur die Fluoreszenz, die von den markierten Zellen ausging, sondern<br />
auch die Eigenfluoreszenz, Reflexion, Streuung etc. Angesichts der Zulassung der ersten klinischen<br />
Studien zum intraoperativen Tumor-Imaging befragte LABORWELT einen Farbstoff- und<br />
einen Kamera-Experten, was sich geändert hat und wohin die Entwicklung geht.<br />
Werner Scheuer<br />
Dr. Werner Scheuer,<br />
ist Forschungsleiter<br />
in der Abteilung<br />
pRED, Discovery<br />
Oncology, bei Roche<br />
Diagnostics GmbH<br />
in Penzberg.<br />
LABORWELT<br />
Welche Methoden gibt es, Tumorzellen spezifisch<br />
zur Fluoreszenz anzuregen, und wo liegen<br />
ihre jeweiligen Stärken und Schwächen<br />
Scheuer<br />
Die beste Methode, um spezifisch Tumorzellen<br />
zu identifizieren, ist der gezielte Einsatz von<br />
mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierten<br />
Antikörpern, die gegen ein Tumor-assoziiertes<br />
Zelloberflächen-Antigen gerichtet sind. Entsprechende<br />
Antikörper-Fluorophor-Konstrukte<br />
bilden die Grundlage des FACS-Verfahrens, das<br />
bereits seit Jahren eingesetzt wird, um Tumorzellen<br />
ex situ zu identifizieren. Zusätzlich werden<br />
diese Antikörper zur immunhistochemischen<br />
Untersuchung von Krebs in Gewebebiopsien<br />
eingesetzt. Das „Krebsantigen“ sollte dabei<br />
funktionell am Wachstum des Primärtumors<br />
beteiligt sein und mit dem Schweregrad der<br />
Erkrankung korrelieren. Sogenannte Quantum<br />
dots weisen zwar exzellente (Fluoreszenz-)<br />
Eigenschaften auf, aber sie können sich in der<br />
Leber anreichern oder von Makrophagen aufgenommen<br />
werden und sind oft toxisch. Auch<br />
wurden Antikörper eingesetzt, die mit radioaktiven<br />
Isotopen markiert waren. Diese zeigten<br />
aber Nachteile wie eine geringe Auflösung und<br />
eine kurze Lebensdauer beziehungsweise Halbwertszeit.<br />
Um für den intraoperativen Einsatz<br />
geeignet zu sein, muss ein krebsspezifischer<br />
Marker besondere Anforderungen erfüllen.<br />
Physikochemisch sind insbesondere eine hohe<br />
Quantenausbeute, eine Emission im fernen<br />
Infrarotbereich, hohe Fluoreszenzstabilität<br />
und Lagerfähigkeit, Nichttoxizität sowie eine<br />
einfache und wirtschaftliche Produktion gefordert.<br />
Das Ankoppeln des Fluoreszenzlabels<br />
an den Antikörper sollte in einer Ein-Schritt-<br />
Reaktion erfolgen und nicht die Bindungskinetik<br />
an das Zielantigen stören. Zahlreiche<br />
Fluorophore müssen zudem optimiert werden,<br />
um Fluoreszenzbleaching zu vermeiden. Das<br />
Fluorophor-Antikörper-Konstrukt muss nach<br />
intravenöser Applikation eine optimale Serumstabilität<br />
aufweisen. Zudem ist seine Sicherheit<br />
in Cynomolgus-Makaken nachzuweisen. All<br />
dies erfüllen zwei an den Fluoreszenzfarbstoff<br />
IRDye800CW gekoppelte neue Antikörperkonstrukte,<br />
von denen einer unlängst die Zulassung<br />
für klinische Tests erhalten hat: der gegen das<br />
teils membrangebundene Antigen VEGF gerichtete<br />
Antikörper Avastin-IRDye800CW wird bereits<br />
ab diesem Herbst klinisch getestet. Danach<br />
sind auch Studien mit einem gegen den Her2/<br />
neu-Rezeptor gerichteten Antikörper Herceptin-<br />
IRDye800CW geplant. Sie sollen mikrodosiert<br />
(Faktor 100 unter minimaler Wirkkonzentration<br />
des therapeutischen Antikörpers) verabreicht<br />
werden. Gegenüber Labeling-Ansätzen, die auf<br />
die Spaltung fluoreszenzgelöschter Peptide<br />
durch Krebszellproteasen setzen, weisen die<br />
zugelassenen Label den Vorteil auf, nicht in die<br />
Zelle aufgenommen und dort möglicherweise<br />
abgebaut zu werden.<br />
Go van Dam<br />
Prof. Dr. Gooitzen van<br />
Dam, Principal Investigator,<br />
Forschungsgruppe<br />
„Intraoperatives<br />
Optisches Imaging“,<br />
Abt. Chirurgie,<br />
Univ. Groningen.<br />
LABORWELT:<br />
Wo liegen die Stärken und Schwächen der derzeitigen<br />
NIR-Fluoreszenz-Kamerasysteme, die<br />
zum intraoperativen Tumorimaging genutzt<br />
werden sollen<br />
van Dam:<br />
Momentan gibt es nur ein einziges tatsächlich<br />
klinisch angewandtes Infrarot-Fluoreszenzkamerasystem,<br />
das Chirurgen in Kombination<br />
mit krebsspezifischen Fluoreszenzfarbstoffen<br />
hilft, zwischen Tumorgewebe und gesundem<br />
Gewebe zu unterscheiden. Es wurde<br />
von Vasilis Ntziachristos entwickelt, der am<br />
Helmholtz-Zentrum München und der Technischen<br />
Universität München forscht, und von<br />
unserer Gruppe im vergangenen Jahr erstmals<br />
an Patientinnen mit Eierstockkrebs getestet.<br />
Alle anderen Imaging-Systeme, die bisher<br />
mit demselben Ziel entwickelt wurden, sind<br />
videographische Systeme. Das Photodynamic<br />
Eye von Hamamatsu Photonics, das Fluobeam-System<br />
von Fluooptics aus Grenoble,<br />
das von der kanadischen Novadaq entwickelte<br />
Spy Imaging System oder das Artemis-System<br />
von O2view haben eines gemeinsam – sie<br />
machen Videos, indem sie lediglich ein Bild<br />
aufnehmen, ohne das physikalische Verhalten<br />
des Lichtes im Gewebe zu berücksichtigen. Sie<br />
korrigieren nicht die Signalabschwächung,<br />
weder durch Streuung oder Absorption noch<br />
durch die Gewebeeigenschaften.<br />
Das waren genau die Herausforderungen,<br />
denen sich Vasilis gegenübersah, als<br />
er 2001/2002 mit der Entwicklung seines<br />
Systems begann: Lediglich eine Epifluoreszenzkamera<br />
zu montieren, war nicht genug.<br />
Denn ein Großteil der Signale ging infolge der<br />
Absorption des Blutes verloren, oder bedingt<br />
durch die Lichtstreuung an Fettgewebe.<br />
Von der physikalischen Seite her, also<br />
der In strumentation, unterscheiden sich<br />
die Kamerasysteme nicht wesentlich. Der<br />
maßgebliche Unterschied besteht in der<br />
Daten akquisition und -analyse. Das Fluoreszenzsignal<br />
wird beim multispektralen<br />
Imagingsystem mit Hilfe eines patentierten<br />
Algorithmus korrigiert, der die Gewebeeigenschaften<br />
berücksichtigt. In Maus-Modellen<br />
konnten wir mit dieser Imagingtechnik die<br />
Rate falsch-positiver und falsch-negativer<br />
Ergebnisse bereits erheblich verringern.<br />
Das aktuelle System erreicht dies durch die<br />
simultane Detektion multipler Wellenlängen,<br />
verbesserte Algorithmen und fortschrittene<br />
Graphic Processing Units (GPU). Eine gut<br />
durch den Chirurgen zu bedienende Software<br />
ermöglicht es, für jeden Patienten und seinen<br />
individuellen Tumor eine Kalibrierung durchzuführen<br />
und anschließend real-time-Bilder<br />
aufzunehmen. Das System schafft damit die<br />
Grundlage dafür, Tumore schon während der<br />
Operation besser zu erkennen, besser zu entfernen<br />
und damit die Prognose der Patienten<br />
maßgeblich zu verbessern. In Pilotstudien im<br />
vergangenen Jahr haben wir bereits zeigen<br />
können, dass das System Eierstocktumore<br />
mit siebenmal höherer Auflösung erkennt<br />
als das menschliche Auge allein. In klinischen<br />
Studien, die in diesem Jahr an der Majo-Klinik<br />
in Rochester beginnen, soll dies an einer<br />
größeren Anzahl von Patienten statistisch<br />
untermauert werden.<br />
www.laborwelt.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 9
Krebszellanalyse Paperwelt<br />
DNA-Methylierung<br />
als Marker für die<br />
Chemotherapie-Resistenz<br />
Matthias P.A. Ebert, Marc Tänzer, M.A., Benjamin Balluff, M.Sc., Elke Burgermeister,<br />
Antje Karen Kretzschmar, David J. Hughes, Reimo Tetzner, Catherine Lofton-Day, Robert<br />
Rosenberg, Anke C. Reinacher-Schick, Karsten Schulmann, Andrea Tannapfel, Ralf<br />
Hofheinz, Christoph Röcken, Gisela Keller, Rupert Langer, Katja Specht, Rainer Porschen,<br />
Jan Stöhlmacher-Williams, Tibor Schuster, Philipp Ströbel, and Roland M. Schmid: TFAP2E-<br />
DKK4 and chemoresistance in colorectal cancer, N Engl J Med. 2012 Jan 5;366(1):44-53<br />
Dass die Inaktivierung von Transkriptionsfaktoren durch DNA-Methylierung einen Hinweis auf<br />
das Ansprechen auf eine Chemotherapie geben könnte, haben Ebert et al in einer retrospektiven<br />
Studie mit initial 78 Patienten mit fortgeschrittenem kolorektalen Karzinom gefunden.<br />
Wurde der Transkriptionsfaktor TFAP2-e infolge einer Hypermethylierung weniger exprimiert,<br />
nahmen zugleich die Expression des DKK4-Gens sowie die Therapieresistenz gegenüber dem<br />
Chemotherapeutikum 5-Fluoruracil (5-FU) zu. In vier weiteren Kohorten mit insgesamt 220<br />
radio- oder chemotherapiebehandelten Patienten ließ sich der Zusammenhang erhärten. Es<br />
zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der TFAP2-e-Hypermethylierung und<br />
5-FU-Therapieresistenz. Umgekehrt sprachen Patienten mit TFAP2-e-Hypomethylierung mit<br />
sechsfach erhöhter Wahrscheinlichkeit auf die Chemotherapie an. Prospektive Studien und<br />
die Untersuchung der funktionellen Rolle von Dkk4 im Wnt-Signalweg sollen nun helfen zu<br />
klären, ob sich die DNA-Methylierung zur Vorhersage des Therapieansprechens eignet.<br />
LABORWELT:<br />
Was sind Ihre wichtigsten Ergebnisse<br />
Ebert:<br />
Wir konnten mit unserer Arbeit zeigen, dass<br />
das epigenetisch regulierte Gen TFAP2-e in<br />
einer Vielzahl von kolorektalen Karzinomen<br />
methyliert und damit inaktiviert vorliegt.<br />
Wir haben zudem Hinweise gefunden, dass<br />
diese Hypermethylierung Einfluss auf das<br />
Ansprechen dieser Tumore auf eine Chemotherapie<br />
mit 5-Fluoruracil nimmt. Mechanistisch<br />
scheint es die TFAP2-e-Methylierung zu<br />
einer stärkeren Expression des DKK4-Gens<br />
zu führen, das zum Wnt-Signalweg gehört.<br />
Diese Ergebnisse sind retrospektiv erhoben<br />
worden. Deshalb der Konjunktiv. Ich möchte<br />
ich keine falschen Hoffnungen wecken, bevor<br />
die Resultate nicht in einer prospektiven Studie<br />
bestätigt wurden.<br />
LABORWELT:<br />
Wie sind Sie experimentell vorgegangen<br />
Ebert:<br />
Nachdem wir gesehen hatten, dass bei TFAP2-e<br />
bei etwa 50% der Patienten methyliert vorlag,<br />
haben wir uns mit dessen Funktion beschäftigt.<br />
Wir haben festgestellt, dass es keinen besonderen<br />
Einfluss auf Zellwachstum- und -teilung<br />
hat. Aber wenn wir die Zellen mit 5-Fluoruracil<br />
behandelt haben, konnten wir sehen, dass sie<br />
unterschiedlich reagiert haben, je nachdem<br />
ob das TFAP-Gen methyliert vorlag oder nicht.<br />
Wir haben dann einen Screen gemacht, indem<br />
wir das TFAP in Zellen überexprimiert haben<br />
und mittels Microarrays die Auswirkung auf<br />
verschiedene Kandidatengene untersucht haben.<br />
Dabei fiel das DKK4-Gen auf. Aus anderen<br />
Publikationen war von DKK4 bereits bekannt,<br />
dass das Gen möglicherweise eine Rolle bei<br />
der Chemotherapieresistenz spielt. In einem<br />
weiteren Schritt haben wir dann gezeigt, dass<br />
es einen engen Zusammenhang zwischen der<br />
TFAP2-e-Methylierung und der dadurch induzierten<br />
DKK4-Überexpression gibt.<br />
LABORWELT:<br />
Wissen Sie schon, wie häufig der Marker bei<br />
kolorektalem Karzinom und bei anderen<br />
Krebsarten vorkommt<br />
Ebert:<br />
Die Häufigkeit der Methylierung in kolorektalen<br />
Karzinomen liegt nach unseren Ergebnissen<br />
bei etwa 50% . Wir sind dabei, dies auch in<br />
anderen Krebsarten zu untersuchen.<br />
LABORWELT:<br />
Was ist ihr Ziel dabei<br />
Ebert:<br />
Wir beschäftigen uns ja primär mit der Frage,<br />
warum die Chemotherapie bei einem Patienten<br />
wirkt und bei dem anderen nicht. Man<br />
würde gerne bei der Vielzahl von Substanzen,<br />
die zur Verfügung stehen, für jeden Patienten<br />
die ideale Zusammensetzung von Wirkstoffen<br />
Prof. Dr. Matthias Ebert<br />
Prof. Dr. Matthias Ebert Jahrgang 1968, ist<br />
seit 2011 Direktor der II. Medizinischen Klinik<br />
des Universitätsklinikums Mannheim<br />
der Universität Heidelberg. Der gebürtige<br />
Münchener wurde 1995 an der Universität<br />
Ulm promoviert und habilitierte<br />
sich 2002 als Facharzt für Innere Medizin.<br />
Nach Spezialisierung auf das Gebiet<br />
Gastro enterologie erhielt der Heisenberg-<br />
Stipendiat (2002-2004) einen Ruf auf eine<br />
Professur für Klinische und Molekulare<br />
Gastroenterologie an die TU München<br />
(2006). Drei Jahre später wurde er zum Direktor<br />
des Roman-Herzog-Krebszentrums<br />
München bestellt. Eberts wissenschaftliches<br />
Interesse gilt der Pathogenese und<br />
Progression des Magenkarzinoms sowie<br />
der klinischen und translationalen Onkologie,<br />
insbesondere der Biomarkeranalyse.<br />
Der Inhaber mehrerer Patente hat<br />
mehr als 100 wissenschaftliche Arbeiten<br />
veröffentlicht.<br />
finden, auf die dessen Tumor gut anspricht.<br />
Wir und viele andere Gruppen denken, dass<br />
Biomarker dabei hilfreich sein können. Unser<br />
Marker zeigt, dass epigenetisch regulierte<br />
Gene ein möglicher Ansatzpunkt für die Vorhersage<br />
des Therapieansprechens sind. Die<br />
Befunde müssen aber, wie gesagt, durch prospektive<br />
Studie, also an noch nicht behandelten<br />
Patienten, zunächst abgesichert werden. Wir<br />
sind dabei, eine entsprechende Forschungsförderung<br />
zu beantragen. Erst danach werden<br />
wir soweit sein, einen entsprechenden Test zu<br />
etablieren, der die Wahrscheinlichkeit auf 5-FU<br />
anzusprechen, vorhersagt.<br />
LABORWELT:<br />
Wie gehen Ihre Arbeiten jetzt weiter<br />
Ebert:<br />
Wir untersuchen die Rolle der TFAP-Methylierung<br />
auch in anderen Tumoren, und wir<br />
schauen uns auch andere Chemotherapeutika<br />
an. Drittens planen wir mit verschiedenen<br />
Partnern die angesprochene prospektive Studie,<br />
und viertens, wollen wir weiter aufklären,<br />
welche funktionelle Rolle Dkk4 tatsächlich bei<br />
der Chemotherapieresistenz spielt.<br />
10 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
NEUE LÖSUNGEN FÜR DIE FLÜSSIGCHROMATOGRAPHIE<br />
NEUE LÖSUNGEN FÜR DIE EFFIZIENTE ANALYSE VON BIOPOLYMEREN<br />
TOYOPEARL & TSKgel MEDIEN MIT HOHER BINDUNGSKAPAZITÄT<br />
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Krebszellanalyse Mikrofluidik<br />
Isolierung zirkulierender<br />
Tumorzellen<br />
DI (FH) Markus Gusenbauer, Dr. Thomas Schrefl, Fachhochschule St. Pölten<br />
Die Analyse der Menge zirkulierender Tumorzellen im Blut ermöglicht die Kontrolle des Erfolges<br />
einer Krebstherapie sowie die Überwachung des Tumorwachstums. Doch die Konzentration<br />
der Zellen im Blut ist niedrig, so dass ihre Anreicherung oder Isolierung erforderlich ist.<br />
Mikrofluidik-Chips zur Isolierung zirkulierender Tumorzellen werden in naher Zukunft eine<br />
wichtige Rolle beim Therapiemonitoring von Krebserkrankungen spielen. In miniaturisierten<br />
Fluid-Kanälen bilden magnetische Partikel Ketten, deren Abstand sich durch gezielte magnetische<br />
Quellenfelder manipulieren lässt. Die so entstandene Struktur eignet sich als Filter<br />
zur Isolierung der zirkulierenden Tumorzellen. Der hier vorgeschlagene Chip kombiniert die<br />
mechanische und die biomagnetische Filterung. Mit Hilfe von Computersimulation kann der<br />
Chip entwickelt und optimiert werden.<br />
Im Blut zirkulierende Tumorzellen (circulating<br />
tumor cells, CTCs) können für eine<br />
effektive und zielgerichtete Behandlung<br />
von Krebserkrankungen von Nutzen sein. Sie<br />
lösen sich vom Primärtumor und gelangen<br />
in den Blutkreislauf. Von dort können sie<br />
auch weitentfernte Organe erreichen. Aus<br />
diesem Grund entstehen oft tödliche Metastasen<br />
auch nach erfolgreicher Beseitigung<br />
eines Krebsgeschwürs. Durch die erstmalige<br />
Beobachtung (1869) dieser den Tumorzellen<br />
ähnelnden Zellen ergab sich ein neues diagnostisches<br />
Potential 1 . Lange war es jedoch<br />
nicht möglich, zirkulierende Tumorzellen<br />
erfolgreich aus dem Blutstrom zu extrahieren.<br />
Allein durch die Abschätzung der Zahl der<br />
im Blut zirkulierenden Tumorzellen können<br />
Rückschlüsse auf den Status der Tumorerkrankung<br />
gezogen werden. Eine genauere Analyse<br />
einzelner Zellen führt zusätzlich zu einem<br />
verbesserten Verständnis der Biologie der<br />
verschiedenen Krebsarten und Metastasen.<br />
Der geringe Anteil an erkrankten Zellen im<br />
Blut erschwert aber die erfolgreiche Filterung.<br />
Es befindet sich nur etwa eine zirkulierende<br />
Tumorzelle unter mehreren hundert Millionen<br />
Blutzellen.<br />
Exitierendende Extraktionsmethoden<br />
für zirkulierende Tumorzellen<br />
In den letzten Jahren hat die Krebszellforschung<br />
erhebliche Fortschritte gemacht, auch<br />
bei der Analyse zirkulierender Tumorzellen. Es<br />
ist bereits möglich, einzelne Zellen aus dem<br />
Blut zu filtern und zu analysieren. Der Aufwand<br />
– sei es an Zeit oder an Geldmitteln – ist<br />
aber meist noch enorm. Es werden verschiedenste<br />
Technologien ineinander geschachtelt,<br />
um mit einzelnen Zellen arbeiten zu können.<br />
Im Fall der zirkulierenden Tumorzellen heißt<br />
das, dass durch mehrere Filtervorgänge die<br />
Zahl der nicht gesuchten Blutzellen stetig<br />
verringert wird.<br />
Der einfachste Ansatz der Filterung ist physikalischer<br />
Natur. Dazu wird der Größen- und<br />
Elastizitätsunterschied zwischen entarteten<br />
und gesunden Zellen genutzt. Zirkulierende<br />
Tumorzellen sind normalerweise etwas<br />
größer und lassen sich weniger deformieren<br />
als zum Beispiel rote Blutkörperchen. Dieses<br />
Wissen führte unter anderem zu mechanischen<br />
Membranfiltern 2 . Einige weiße Blutkörperchen<br />
überschneiden sich aber in der<br />
Größenbandbreite mit den CTCs. Das führt<br />
zu nicht-eindeutigen Ergebnissen in der Filterausbeute<br />
– das Verhältnis zirkulierender<br />
Tumorzellen zu den restlichen Blutzellen wird<br />
also zwar minimiert, aber sie werden nicht<br />
vollständig voneinander getrennt.<br />
Eine weitere Möglichkeit zur CTC-Aufreinigung<br />
ist der Einsatz von Antikörper-beschichteten<br />
Oberflächen, an denen das Blut vorbeigeführt<br />
wird. EpCAM-Proteine (epithelial<br />
cell adhesion molecule) können Tumorzellen<br />
epithelialen Ursprungs gezielt einfangen,<br />
während Blutzellen nicht an den Faktor binden.<br />
Tumorzellen anderen Ursprungs können<br />
durch spezielle Bindungsfaktor-Cocktails 3<br />
angereichert werden. Die Wahrscheinlichkeit,<br />
dass eine zirkulierende Tumorzelle die spezielle<br />
Oberfläche berührt, ist dabei entscheidend<br />
für die erfolgreiche Extraktion. Eine Lösung ist<br />
die Generierung von Mikrosäulen in den Kanälen<br />
des CTC-Chips. Durch sie wird ein großes<br />
Oberflächen- zu Volumenverhältnis 4 erzielt.<br />
Eine unregelmäßige Anordnung solcher Säulen<br />
erhöht die Kontaktwahrscheinlichkeit 3 .<br />
Ein zweiter Ansatz, die Wahrscheinlichkeit<br />
des Aufeinandertreffens des Fängermoleküls<br />
mit einer CTC zu erhöhen, kommt ohne Mikrosäulen<br />
aus. Fischgrätenförmige Muster an<br />
Wänden der Kanäle des CTC-Chips führen zu<br />
genügend Turbulenzen, um Kolli sionen der<br />
„Fängermoleküle“ mit den zirkulierenden<br />
Tumorzellen herbeizuführen 5 .<br />
Um neuartige Antikörper für alle bekannten<br />
und noch unbekannten Tumorzellen zu finden,<br />
werden allerdings eine große Zahl an einzelnen<br />
zirkulierenden Tumorzellen benötigt.<br />
Erst nach erfolgreicher Charakterisierung aller<br />
Zellen kann eine optimale Ausbeute erfolgen.<br />
Das heißt aber, eine Affinitätsfilterung allein<br />
führt derzeit noch nicht zum gewünschten<br />
Resultat.<br />
Kombination von Vorteilen<br />
Abb. 1: Dynamischer Mikrofluidik-Chip. (a) Magnetische Partikel, (b) Kettenbildung und<br />
Erzeugen der Filterstruktur, (c) Mechanische und biomagnetische Filterung, (d) Ausspülen<br />
der Blutzellen und Isolation der Krebszellen.<br />
Durch unterschiedliche Abstände von funktionalisierten<br />
Mikrosäulen können die mechanische<br />
und Affinitäts-Filterung kombiniert<br />
werden 6 . Dadurch wird eine hohe Filter-<br />
12 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Mikrofluidik Krebszellanalyse<br />
effizienz erreicht. Unsere Forschungsgruppe<br />
an der Fachhochschule St.Pölten beschäftigt<br />
sich derzeit mit der Entwicklung eines<br />
Simulationstools für Microfluidik-Chips im<br />
Rahmen des Projekts „Tunable microfluidic<br />
chips for isolating circulating cancer cells“<br />
der Life Science Krems GmbH. In dieser<br />
Arbeit werden magnetische Teilchen mit<br />
Antikörpern funktionalisiert. Mit Hilfe eines<br />
externen Magnetfeldes können dann gezielt<br />
Filterstrukturen, zum Beispiel in CTC-Chips,<br />
erzeugt werden. Durch die Kombination von<br />
mechanischen Filterketten und den affinen<br />
Partikeln lässt sich eine besonders gute Filtereffizienz<br />
erzielen.<br />
Abbildung 1 zeigt den Ablauf einer Filterung<br />
von zirkulierenden Tumorzellen:<br />
a. Zu Beginn werden die oben erwähnten<br />
weichmagnetischen Partikel in einen Microfluid-Chip<br />
beliefert. Diese Teilchen sind<br />
mit speziellen Antikörpern beschichtet, an<br />
die die Tumorzellen sich anheften.<br />
b. Durch Anlegen eines magnetischen Gradientenfeldes<br />
bilden diese magnetischen<br />
Beads Ketten in genau definierten Positionen.<br />
Deren Abstände können durch<br />
Veränderung des Magnetfeldes gesteuert<br />
werden.<br />
c. Sobald diese Partikelketten in Position<br />
sind, beginnt die Zuleitung der Blutprobe.<br />
Durch die Kombination von Größenfilterung<br />
und Affinitätsbindung mit speziellen<br />
Antikörpern bleiben nur die zirkulierenden<br />
Tumorzellen haften.<br />
d. Diese können dann mit einem Mikroskop<br />
analysiert und für weitere Tests verwendet<br />
werden.<br />
Optimierung der Filtereffizienz durch<br />
Simulationen<br />
Abb. 2: (a) Computermodell eines roten<br />
Blutkörperchens. (b) Simulation der<br />
Deformation einer Brustkrebszelle<br />
an der Filterstruktur<br />
Wie auch in vielen anderen Bereichen können<br />
Computersimulationen das Verständnis von<br />
teuren, komplizierten oder schlecht erkennbaren<br />
Vorgängen verbessern. Alle derzeit<br />
verfügbaren Filtermethoden konnten bisher<br />
nur durch „trial-and-error“-Experimente<br />
entwickelt werden. Das führte zwar zu teilweise<br />
ansprechenden Resultaten, aber eine<br />
vollständige Trennung der Zellen konnte noch<br />
nicht erreicht werden. An der Fachhochschule<br />
arbeiten wir derzeit mit Hochdruck an einer<br />
Simulationsumgebung für einen vollständigen<br />
Filtervorgang zirkulierender Tumorzellen.<br />
Die Problemstellung verbindet Mikromagnetismus,<br />
Strömungs- und Zellularmechanik.<br />
EpCAM-behaftete weichmagnetische Partikel<br />
bewegen sich in einem magnetischen Gradientenfeld.<br />
Im Zusammenspiel mit Kräften<br />
der Blutströmung kann die genaue Position<br />
der magnetischen Partikel im Mikrofluid-Chip<br />
berechnet werden. Dadurch können, wie in<br />
Abbildung 1 gezeigt, Kettenstrukturen erzeugt<br />
werden. Das Zusammenspiel eines homogenen<br />
und des Gradientenfeldes emöglicht zudem<br />
die Variation der Filterabstände zwischen<br />
diesen Ketten 7 .<br />
Das Modell der Blutzelle wird als eine<br />
Oberflächenmembran mit interagierenden<br />
Teilchen beschrieben 8 . Ein spezielles Masse-<br />
Feder-System ermöglicht die genaue Nachbildung<br />
realer Strömungsbewegungen. Ein rotes<br />
Blutkörperchen besteht aus einem Zytoskelett<br />
und einer umschließenden Membran. Für die<br />
Computermodellierung wird nur die Membran<br />
zu Rate gezogen (Abb. 2a). 400 Oberflächenteilchen<br />
sind funktionell miteinander<br />
verbunden. Es wirken eine konstante Oberflächen-<br />
bzw. Volumenkraft, eine Federkraft<br />
und eine winkelabhängige Kraft. Mit einer<br />
optimalen Einstellung dieser vier Parameter<br />
kann ein nahezu reales Verhalten gesunder<br />
und kranker Blutzellen nachgestellt werden.<br />
Hauptaugenmerk werden auf das konstante<br />
Oberflächen und Volumen von Blutzellen gelegt.<br />
Den Rest erledigen Federkräfte zwischen<br />
den Teilchen und winkelabhängige Belastungen<br />
der Membranoberfläche. Zur Validierung<br />
werden die Modelle real durchgeführten Belastungsproben<br />
gegenübergestellt. Beispielsweise<br />
werden Blutzellen mit einer optischen<br />
Laserpinzette in die Länge gezogen 9 . Das<br />
Verhältnis von Längen- zu Breitendurchmesser<br />
bei konstanter Kraft ist ein wichtiger Faktor<br />
für ein korrektes Modell. In ähnlicher Weise<br />
lassen sich Krebzellen simulieren. Abbildung<br />
2b zeigt die Deformation einer Brustkrebszelle<br />
beim Durchgang zwischen zwei Ketten aus<br />
magnetischen Partikeln.<br />
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Die Zahl der Technologien zur Isolierung von<br />
zirkulierenden Tumorzellen hat in den letzten<br />
Jahren stark zugenommen. Jede einzelne<br />
dieser Methoden scheitert aber derzeit noch<br />
an einer kompletten Trennung von den restlichen<br />
Blutzellen. Die Kombination von mechanischer<br />
und Affinitäts-basierter Filterung<br />
ermöglicht es, die Effizienz zu erhöhen. Für<br />
eine eindeutige Diagnose fehlt es aber an der<br />
Genauigkeit der erwähnten Mechanismen.<br />
Aufgrund der methodenabhängigen Ausbeute<br />
ist ein Vergleich verschiedener Technologien<br />
schwer möglich. Unser Team entwickelt<br />
derzeit eine Simulationsumgebung, um die<br />
Isolaterung zirkulierender Tumorzellen zu<br />
optimieren. Diese Resultate werden wichtige<br />
Erkenntnisse für den Bau zukünftiger<br />
„lab-on-a-chip“-Methoden liefern. Es werden<br />
dringend große Mengen an einzelnen Tumorzellen<br />
benötigt, um molekularbiologische<br />
Untersuchungen durchführen zu können.<br />
Der Bildung von Metastasen kann nur durch<br />
ausreichendes Wissen über die zirkulierenden<br />
Tumorzellen entgegengewirkt werden.<br />
Danksagung<br />
Die Autoren bedanken sich für aufschlussreiche<br />
Diskussionen mit Dr. Martin Pecherstorfer,<br />
Dr. Martin Brandl, Dr. Hubert Brückl und<br />
Dr. Ivan Cimrak und für die finanzielle Unterstützung<br />
der Life Science Krems GmbH.<br />
Literatur<br />
[1] Ashworth, T. R (1869). „A case of cancer in which cells<br />
similar to those in the tumours were seen in the blood<br />
after death“. Australian Medical Journal 14: 146–7.<br />
[2] Lu B, Xu T, Zheng S et al. (2010) Parylene membrane<br />
slot filter for the capture, analysis and culture of viable<br />
circulating tumor cells. Proceedings of the IEEE 23rd<br />
International Conference on Micro Electro Mechanical<br />
Systems (MEMS):935–938<br />
[3] Dickson MN, Tsinberg P, Tang Z et al. (2011) Efficient<br />
capture of circulating tumor cells with a novel immunocytochemical<br />
microfluidic device. Biomicrofluidics<br />
5:034119-1–034119-15<br />
[4] Nagrath S, Sequist LV, Maheswaran S et al. (2007) Isolation<br />
of rare circulating tumour cells in cancer patients by<br />
microchip technology. Nature 450:1235–1239<br />
[5] Stott SL, Hsu CH, Tsukrov DI et al. (2010) Isolation of<br />
circulating tumor cells using a microvortex-generating<br />
herringbone-chip. Proc Natl Acad Sci USA 107:18392–<br />
18397<br />
[6] Maimonis PJ, Merdek K, Dietenhofer K et al. (2010)<br />
Affinity and size capture of circulating tumor cells: a<br />
platform for increased sensitivity. Fourth AACR International<br />
Conference on Molecular Diagnostics in Cancer<br />
Therapeutic Development, Sep 27–30:B5<br />
[7] Gusenbauer, Markus, Kovacs, Alexander, Reichel, Franz,<br />
Exl, Lukas, Bance, Simon, Özelt, Harald, and Schrefl,<br />
Thomas: Self-organizing magnetic beads for biomedical<br />
applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials<br />
324(6), volume 324, 977–982, 2012<br />
[8] M. Dupin, I. Halliday, C. Care, L. Alboul, Modeling the<br />
flow of dense suspensions of deformable particles in<br />
three dimensions, Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter<br />
Phys. 75 (2007)<br />
[9] S. Henon, G. Lenormand,A. Richert,F. Gallet,A new<br />
determination of the shear modulus of the human erythrocyte<br />
membrane using optical tweezers (1999).doi:16/<br />
S0006-3495(99)77279-6<br />
Korrespondenzadresse<br />
Dr. Thomas Schrefl<br />
Fachhochschule St. Pölten<br />
Matthias-Corvinus-Straße 15<br />
3100 St. Pölten, Österreich<br />
Tel.: +43-2742-313228-313<br />
Fax: +43-2742-313228-609<br />
thomas.schrefl@fhstp.ac.at<br />
www.laborwelt.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 13
Krebszellanalyse Krebsmarker<br />
Validierung neuer Protein-<br />
Biomarker im Kampf<br />
gegen Prostatakrebs<br />
Dr. Kathrin Endt, Dr. Ralph Schiess, ProteoMediX AG, Schlieren, Schweiz<br />
Prostatakrebs zählt zu den am häufigsten diagnostizierten Krebsarten bei Männern und<br />
ist bei diesen nach Lungen- und Darmkrebs die dritthäufigste Todesursache. Im Jahr 2008<br />
wurde weltweit bei circa 900.000 Männern Prostatakrebs diagnostiziert, und 258.000 erlagen<br />
dieser Erkrankung. Dabei waren rund 30% der Betroffenen älter als 50 Jahre. Für eine<br />
erfolgreiche Behandlung von Prostatakrebs sollte die Erkrankung in einem möglichst frühen<br />
Stadium detektiert werden. Daher bemühen sich Forscher mit großer Anstrengung, bereits<br />
existierende Diagnosemöglichkeiten qualitativ zu verbessern und neue prognostische oder<br />
diagnostische Biomarker zu entdecken sowie zu validieren.<br />
Heute gängige Untersuchungsmethoden zum<br />
Nachweis des Prostatakarzinoms beinhalten die<br />
Bestimmung des PSA-Wertes im Patientenblut<br />
und eine Tastuntersuchung der Prostata. Der<br />
PSA-Wert bezieht sich dabei auf das sogenannte<br />
prostataspezifische Antigen – ein Protein, welches<br />
bei Prostatakrebs, aber auch bei Entzündungen<br />
oder einer Vergrößerung der Prostata<br />
vermehrt im Blut gemessen werden kann. Liefern<br />
sowohl die Tastuntersuchung als auch ein<br />
erhöhter PSA-Wert Hinweise für einen Verdacht<br />
auf Prostatakrebs, wird oft ein invasiver Eingriff<br />
– eine Biopsie –durchgeführt. Allerdings birgt<br />
der PSA-Test den großen Nachteil einer sehr<br />
hohen Rate an falsch-positiven Prostatakrebs-<br />
Diagnosen (bis zu 75%), was häufig eine unnötige<br />
Biopsie mit Nebenwirkungen wie Blutungen<br />
und Inkontinenz zur Folge hat. Bis heute wurde<br />
zudem kein optimaler PSA-Schwellenwert<br />
definiert. Eine Senkung dieses Wertes birgt die<br />
Gefahr, dass insignifikanter Krebs behandelt<br />
wird, welcher im natürlichen Lebensverlauf nur<br />
mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit lebensbedrohlich<br />
würde. Überbehandlung ist somit<br />
eines der größten Risiken bei der Prostatakrebs-<br />
Diagnose 1, 2 . Aus diesem Grund ist die Suche und<br />
Validierung von weiteren Markern, welche die<br />
Spezifität der Prostatakrebs-Diagnose verbessern<br />
und eine Aussage über die Aggressivität<br />
ermöglichen, unabdingbar. Mit Hilfe der quantitativen<br />
Massenspektrometrie konnten wir nun<br />
neue, sehr spezifische Biomarker im Serum von<br />
Prostatakrebspatienten ermitteln.<br />
Quantitative Massenspektrometrie<br />
als Biomarker-Screening-Strategie<br />
Molekulare und genetische Biomarker spielen<br />
eine entscheidende Rolle in der klinischen<br />
Onkologie. Sie erlauben Prognosen darüber,<br />
ob eine Person Krebs entwickeln wird, oder<br />
geben Hinweise auf das jeweils vorliegende<br />
Krebsstadium. Zudem helfen diagnostische<br />
Biomarker dem Mediziner bei der Entscheidung<br />
über Behandlungsoptionen und bei der<br />
Identifizierung von Subpopulationen, die auf<br />
eine bestimmte Therapie ansprechen 3, 4 . Eine<br />
der größten Herausforderungen ist dabei das<br />
Auffinden von Biomarkern im Blut oder anderen<br />
Körperflüssigkeiten mittels nicht-invasiver<br />
Detektionsmethoden, um eine patientenspezifische<br />
medizinische Vorsorge und Behandlung<br />
für Krebserkrankungen anbieten zu können.<br />
Um neue prognostische und diagnostische<br />
Proteinbiomarker im Serum von Krebspatienten<br />
zu identifizieren, nutzen Wissenschaftler das<br />
mittlerweile enorme Wissen über genetische<br />
Veränderungen (Mutationen), die oft Veränderungen<br />
in Signalwegen zur Folge haben, welche<br />
die Entstehung von Krebs begünstigen.<br />
Mittels Proteomanalysen, die auf quantitativer<br />
Massenspektrometrie basieren, konnte<br />
kürzlich gezeigt werden, dass Prostatakrebsspezifische<br />
Mutationen zu einem gesteigerten<br />
Vorkommen von Proteinbiomarken im Serum<br />
führen 5 . Eine Inaktivierung des PTEN (Phosphatase<br />
und Tensin-Homolog)-Gens führt dabei zu<br />
einem veränderten Phosphatidylinositol-3-Kinase-<br />
(PI3K)-Signalweg 6 , welcher eine veränderte<br />
Produktion von Oberflächenproteinen und<br />
sekretorischen Proteinen des Prostatagewebes<br />
nach sich zieht 7 . Mit Hilfe eines Mausmodells,<br />
das durch den Verlust des Tumorsuppressor-<br />
Gens PTEN im Prostataepithelium charakterisiert<br />
ist, konnten unter Anwendung massenspektrometrischer<br />
Screening-Strategien 8<br />
Proteine mit unterschiedlichen Expressionsmustern<br />
in gesundem und krankem Gewebe<br />
von Mäusen identifiziert werden 6 . Diese in der<br />
Maus identifizierten potentiellen Biomarkerkandidaten<br />
wurden anschließend im Serum von<br />
77 Patienten mit lokalem Prostatakrebs sowie<br />
einer Kontrollgruppe (66 Personen mit einer<br />
gutartigen Prostatavergrößerung) gemessen.<br />
Eine Untersuchung des Prostatagewebes von<br />
Prostatakrebspatienten ergab, dass PTEN-<br />
Defekte in mehr als 70% aller Fälle eine Rolle<br />
spielen. Somit konnte auch die Relevanz des<br />
Mausmodells bestätigt werden.<br />
Neue prognostische und<br />
diagnostische Biomarker<br />
Abb. 1: Sechs charakteristische Kennzeichen für Krebs 10 . Die vier Serumbiomarker HYOU1,<br />
ASPN, CTSD und OLFM4 decken vier Bereiche der sechs Hauptmerkmale verschiedener<br />
Tumorstadien ab (abgeänderte Zeichnung von Hanahan et al., 2011).<br />
Der Datensatz an gemessenen Proteinen<br />
im menschlichen Blut konnte nun genutzt<br />
werden, um geeignete Biomarkerkandidaten<br />
zu selektieren und somit Vorhersagemodelle<br />
aufzubauen, welche beispielsweise eine Unterscheidung<br />
zwischen einem normalen oder<br />
anomalen PTEN-Status erlauben. Mit Hilfe<br />
von histologischen Gewebeuntersuchungen<br />
konnten die biologischen Eigenschaften des<br />
Tumors und seine Bösartigkeit genauer bestimmt<br />
werden. Dadurch konnte bei einem<br />
14 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Tab. 1: Vergleich der testspezifischen<br />
Eigenschaften des PSA-Tests mit<br />
einer kombinierten Messung von<br />
PSA und den vier Serumproteinmarkern<br />
(HYOU1, ASPN, CTSD, OLFM4).<br />
Ein kombinierter Test von PSA und<br />
den vier diagnostischen Biomarkern<br />
liefert eine deutlich erhöhte Spezifität<br />
von 79% und führt somit zu einer<br />
Reduktion von falsch-positiven<br />
Diagnosen.<br />
PSA Test<br />
(Goldstandard)<br />
Proteinmarker<br />
Genauigkeit 70 % 84 %<br />
Sensitivität 87 % 85 %<br />
Spezifität 45 % 79 %<br />
ist somit eine ideale nicht-invasive Methode,<br />
um die Anzahl an falsch-positiven Prostatakrebs-Diagnosen<br />
und somit unnötigen Biopsien<br />
zu verringern. Zudem bieten diese neuen diagnostischen<br />
Biomarker die Möglichkeit mit hoher<br />
Präzision, Stabilität und Reproduzierbarkeit<br />
Prostatakrebs detektieren zu können.<br />
Prospektive Validierungsstudien<br />
Eine momentane Limitierung der Anwendbarkeit<br />
und Aussagekraft des beschriebenen<br />
Diagnostik-Tests ist die Anzahl der analysierten<br />
humanen Proben und die ausschließlich retrospektiv<br />
durchgeführten Messungen. Daher soll<br />
zukünftig die Aussagekraft des auf der Messung<br />
des PSA-Wertes und der vier Proteinbiomarker<br />
basierenden Diagnostik-Tests in einer größeren<br />
Patientenstudie prospektiv getestet werden.<br />
Da Messungen, die auf der Technik von Massenspektrometern<br />
beruhen, nur bedingt für<br />
das Screenen einer großen Anzahl von Patientenseren<br />
geeignet sind, sollen die Proteinmessungen<br />
mit einer einfacheren Methode, dem<br />
sogenannten ELISA-Test, durchgeführt werden.<br />
Das schweizerische Start-Up Unternehmen<br />
ProteoMediX AG ist mit der Entwicklung eines<br />
solchen Tests beschäftigt und hofft, möglichst<br />
bald ein entsprechendes Produkt auf den Markt<br />
zu bringen. Bewahrheitet sich die Aussagekraft<br />
des neuen Diagnostik-Tests in den geplanten<br />
klinischen Studien, können unzähligen Männern<br />
unnötige Gewebeentnahmen und damit<br />
verbundene Komplikationen erspart werden<br />
sowie Unsicherheit und Angst, die mit einem<br />
erhöhten PSA-Wert einhergehen. Ferner kann<br />
dieser Test auch zu einer bedeutenden Senkung<br />
der Gesundheitskosten beitragen, da die Zahl<br />
falsch-positiver Diagnosen verringert wird.<br />
European<br />
Biotechnology<br />
Network<br />
PTEN-Gendefekt festgestellt werden, dass der<br />
Verlust des PTEN-Gens im Prostatagewebe<br />
mit einer beschleunigten Prostatakrebs-<br />
Progression und -Aggressivität einhergeht 9 .<br />
Es besteht demnach eine kausale Verbindung<br />
zwischen der Bewertung der Aggressivität eines<br />
Tumorgewebes und der Funktionalität des<br />
PTEN-Gens. In diesem Kontext konnten mittels<br />
bioinformatischer Methoden eine Handvoll<br />
Proteinbiomarker im Serum von Prostatakrebspatienten<br />
aufgefunden werden, welche<br />
die beschriebene Korrelation zwischen PTEN-<br />
Verlust und Krebsprogression verdeutlichten<br />
und sich somit für die nicht-invasive Abklärung<br />
von Prostatakrebsstadien eignen.<br />
Unter den ermittelten krebsspezifischen<br />
Biomarkerkandidaten konnten neben den<br />
prognostischen Biomarkern auch vier Proteine<br />
im Blutserum identifiziert werden, die<br />
Biotechnology Network!<br />
Join the European<br />
eine zuverlässige Prostatakrebsdiagnose<br />
ermöglichen, wenn sie mit dem PSA-Test<br />
The European Biotechnology Network<br />
kombiniert werden. Mit Hilfe von bioinformatischen<br />
Filtern wurden folgende vier Proteine<br />
is dedicated to facilitating co-operation<br />
between professionals in biotech-<br />
identifiziert: Hypoxia up-regulated protein 1 Literatur<br />
(HYOU1), Asporin (ASPN), Cathepsin D (CTSD)<br />
nology and the life sciences all over<br />
und Olfactomedin-4 (OLFM4). Dabei decken [1] Schröder, F.H., et al., ERSPC Investigators, N Engl J Med 360<br />
Europe. The network is run by the European<br />
Biotechnology Foundation, a<br />
die vier Proteine zwei Drittel der biologischen (2009), 1320-1328<br />
[2] Andriole, G.L., et al., PLCO Project Team, N Engl J Med 360<br />
Hauptmerkmale in der Krebsentwicklung (2009), 1310-1319<br />
ab non-profit organisation based in Brussels.<br />
Do you want to know more about<br />
10 . CTSD ist zum Beispiel involviert in die [3] Tainsky, M.A. Biochim Biophys Acta (1796), 176-193<br />
Tumorinvasion und Metastasierung, OLFM4 [4] Ludwig, J.A., Weinstein, J.N., Nat Rev Cancer 5 (2005), 845-<br />
856<br />
verhindert den Zelltod, ASPN hilft einer Zelle, [5] Cima, I., Schiess, R., et al., Proc Natl Acad Sci USA 108 (2011), the advantages of a (free) membership<br />
Just have a look at our website:<br />
Wachstumssuppressoren zu entgehen, und 3342-3347<br />
[6] Maehama, T., Dixon, J.E., J Biol Chem 273 (1998), 13375-<br />
HYOU1 induziert die Angiogenese (Abb. 1).<br />
13378<br />
www.european-biotechnology.net<br />
Das Messen dieser vier Proteinmarker in [7] Mehrian-Shai, R., et al., Proc Natl Acad Sci USA 104 (2007),<br />
Kombination mit dem PSA-Test lieferte bei 5563-5568<br />
[8] Schiess, R., Wollscheid, B., Aebersold, R., Mol Oncol 3 (2009),<br />
ersten Messungen bereits eine sehr hohe Spezifität<br />
von 79%, das heißt, in fast 80% der Fälle [9] McMenamin, M.E., et al., Cancer Res 59 (1999), 4291-4296<br />
33-44<br />
traf eine positive Vorhersage auch wirklich zu. [10] Hanahan, D., Weinberg, R.A., Cell 144 (2011), 646-674<br />
Verglichen mit der PSA-Messung allein, die im<br />
gemessenen Kollektiv eine Spezifität von 45%<br />
aufwies, bedeutet dieser Wert eine Steigerung Korrespondenzadresse<br />
European Biotechnology Foundation<br />
von rund 43% (Tab. 1). Dieses Ergebnis konnte in<br />
Rue d‘Egmont 15<br />
einer weiteren unabhängigen Messung für 37 Ralph Schiess, CEO<br />
B-1000 Bruxelles, Belgique<br />
Probanden (14 Personen mit lokalem Prostatakrebs;<br />
23 mit gutartiger Prostatavergrößerung) Wagistr. 23<br />
ProteoMediX AG<br />
Tel: +32 2 50 08 531<br />
bestätigt werden. Ein auf dem PSA-Wert und CH-8952 Schlieren<br />
Fax +32 2 64 92 989<br />
dem Messen der vier Proteine basierender Test ralph.schiess@proteomedix.com<br />
info@european-biotechnology.org<br />
www.european-biotechnology.net<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 15
European<br />
Biotechnology<br />
Network<br />
builDing transatlantic PartnershiPs<br />
in biotechnology<br />
30 th March | Brussels<br />
Join the European Biotechnology Network to explore how<br />
European biotechnology research can build US partnerships<br />
through the key funding mechanisms open on both<br />
sides of the Atlantic. Framework Programme Seven and Horizon<br />
2020 from Europe combine with National Institutes of<br />
Health (NIH), Department of Defense (DOD) and the Bill and<br />
Melinda Gates Foundation from the US. Academia and industry<br />
from the US and Europe can fund partnerships<br />
through these programmes and accelerate technology and<br />
clinical/market application. The day brings together the European<br />
Commission and organisations active in European-<br />
US partnerships, from academia, SMEs and pharma, to<br />
showcase partnerships and the mechanisms behind them.<br />
In the memory of last year’s inspirational keynote speaker, Ian Bathurst, the<br />
meeting supports Medicines for Malaria Venture (MMV) a Swiss-based publicprivate<br />
initiative whose donor, stakeholder and grantee network across the US<br />
and Europe is exemplary of the kind of partnership we hope toshowcase.<br />
Doing the business!<br />
29 th March 2012<br />
Building Transatlantic Partnerships is supported by ‘Doing the business’,<br />
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Sequence Capture Zielgen-Anreicherung<br />
Auffinden einer Mutation<br />
für erblichen Gehörverlust<br />
mit Capture Arrays<br />
Genanreicherung<br />
II<br />
Dr. Burkhard Ziebolz, Roche Applied Science, Penzberg<br />
Erblicher Gehörverlust ist mit einer Häufigkeit von mindestens zwei Fällen auf 1.000 Neugeborene<br />
die häufigste sensorische Funktionsstörung beim Menschen. Rund 70% der Erkrankungen sind<br />
nicht-syndromisch (NSHL), das heißt, es treten keine zusätzlichen Symptome auf. Zwischen 1% und<br />
5% der NSHL-Fälle sind durch X-chromosomale Mutationen bedingt, die bislang vier NSHL-Genloci<br />
(DFNX) zugeordnet werden konnten. Im Zuge einer Familienstudie konnten Hübner et al. 1 eine<br />
X-chromosomal-dominant vererbte Form des fortschreitenden Hörverlustes der chromosomalen<br />
Region Xp22 (DFNX4) zuordnen. Mit Hilfe der gezielten Sequenz-Anreicherung durch Hybridisierung<br />
genomischer DNA der Mitglieder einer deutschen Familie auf NimbleGen Capture Arrays (Roche<br />
NimbleGen Inc., Madison), die die genomische Zielregion repräsentierten, identifizierten Hübner und<br />
Kollegen nun eine nonsense-Mutationen im Gen für SMPX (small muscle protein, X-linked). Xp22<br />
war bereits zuvor bei einer spanischen Familie als krankheitsrelevant angenommen worden, ohne<br />
dass aber eine ursächliche Mutation identifiziert werden konnte. Von Hübner et al. durchgeführte<br />
Sequenzanalysen bestätigten nun, dass auch hier eine Nonsense-Mutation in SMPX krankheitsrelevant<br />
ist. Weitere Studien ergaben, dass das mechanosensitive, Zytoskelett-assoziierte SMPX-Protein<br />
in den Stereocilien der Haarzellen und der Cochlea des Innenohrs von Mäusen exprimiert wird, die zur<br />
mechanosensorischen Transduktion beim Hörvorgang beitragen. Das Auftreten von Stopp-Codons in<br />
SMPX-Transkripten deutet darauf hin, dass es über einen nonsense-vermittelten mRNA-Abbau zum<br />
Funktionsverlust des SMPX-Proteins kommt. Die Forscher vermuten, dass SMPX zur Erhaltung<br />
der ständig unter mechanischem Stress stehenden Haarzellen des Innenohrs beiträgt.<br />
Zahlreiche Anwendungen des Next-<br />
Generation-Sequencings zielen auf die<br />
Untersuchung ganz bestimmter interessierender<br />
genomischer Regionen ab.<br />
Damit der Einsatz der Ultrahochdurchsatz-<br />
Instrumente wirtschaftlich wird, müssen<br />
deshalb die interessierenden Loci mittels<br />
PCR vervielfältigt werden, zumindest bei<br />
den Sequenzern der 2. Generation am<br />
Markt, die mittels Fluoreszenz-Readout<br />
die Sequenz bestimmen. Nicht amplifiziert<br />
wäre das Signal viel zu schwach, um<br />
detektiert zu werden. Die Amplifikation<br />
ist indes nicht trivial: Gilt es doch, alle zu<br />
sequenzierenden Abschnitte um genau<br />
denselben Faktor zu vervielfältigen. Diese<br />
aufwändige Probenvorbereitung – die<br />
Targetgenanreicherung –, die bei Single<br />
Molecule Sequenzieransätzen wegfällt,<br />
ist der eigentliche Flaschenhals bei der<br />
Next-Generation-Sequenzierung.<br />
Elution & PCR<br />
Hochparallele Sequenzierung<br />
auf Next Generation-Sequenzern<br />
Fragmentierung und Hybridisierung genomischer<br />
DNA an SeqCap TM -Microarrays, die<br />
Zielsequenzen enthalten<br />
Analyse der angereicherten Sequenzen<br />
Abb. 1: Ablauf der Targetsequenz-Anreicherung mit NimbleGen SeqCap TM -Arrays<br />
Suche nach der besten Automation<br />
Ein möglicher Ansatz, genomische Regionen<br />
anzureichern, ist die Hybridisierung<br />
gegen eine Bibliothek von DNA-Sonden<br />
auf einem Array. Wie leistungsfähig das<br />
zum Beispiel das von der NimbleGen Inc.<br />
entwickelte Verfahren ist, haben Hübner<br />
und Kollegen unlängst gezeigt. In einer<br />
Familienstudie konnten sie mittels sogenannter<br />
SeqCap-Microarrays ein Gen<br />
für die erbliche Innenohrschwerhörigkeit<br />
identifizieren und erste Hinweise auf dessen<br />
Funktionsweise finden (vgl Seite 17).<br />
Zur Serienreife entwickelt haben der US-<br />
Mikrofluidik-Experte Raindance und der<br />
Kunststoff-Spezialist Sony DADC Austria<br />
einen Mikrofluidikchip, der es ermöglicht,<br />
Millionen von Mikrotröpfchen herzustellen,<br />
in denen jeweils eine getrennte<br />
PCR-Reaktion abläuft (vgl. Seite 20). Eine<br />
Automation der PCR-Probenvorbereitung<br />
für Next-Generation-Sequencing-Anwendungen<br />
für den Genome Sequencer<br />
FLX (Roche Applied Science) bietet seit<br />
kurzem die Firma Hamilton Robotics an<br />
(siehe Seite 22).<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 17
Zielgen-Anreicherung Sequence Capture<br />
<strong>Laborwelt</strong> Hintergrund<br />
Prinzip der Schallübertragung im Innenohr<br />
Schall wird vom Trommelfell über die Gehörknöchelchen<br />
des Mittelohrs im sogenannten<br />
ovalen Fenster auf die Cochlea (Schnecke, im<br />
Bild blau) übertragen. Die Cochlea ist im<br />
Querschnitt in drei Röhren unterteilt: Die<br />
Scala vestibuli (oberer Gang) ist mit dem<br />
ovalen Fenster verbunden. Sie nimmt den<br />
Schalldruck auf und führt ihn bis zur Spitze<br />
der Cochlea, dem Helicotrema. Dort führt<br />
eine scharfe Kehre in die zurücklaufende<br />
Röhre, die Scala tympani (untere Röhre), die<br />
am runden Fenster des Innenohrs endet.<br />
Zwischen den beiden Röhren liegt die Scala<br />
media, die den sensorischen Apparat, das<br />
Corti-Organ (große Abbildung), enthält.<br />
Trifft Schall über das ovale Fenster ein, bildet<br />
sich eine Wanderwelle, deren Maximum bei<br />
hohen Frequenzen den vorderen Abschnitt,<br />
bei tiefen Tönen den dünneren, hinteren<br />
Abschnitt der Basilarmembran zum Schwingen<br />
anregt. Die Frequenzinformation wird<br />
so in eine Ortsinformation umgewandelt.<br />
Basilar- und Tektorialmembran werden nun<br />
gegeneinander verschoben. Dies stimuliert<br />
die äußeren Haarzellen (OHC), ihre Länge<br />
zu ändern, was die lokalen Bewegungen im<br />
Cortiorgan etwa 1000-fach verstärkt. Die so<br />
verstärkte Wanderwelle erregt nun lokal die<br />
inneren Haarzellen (IHC), die das sensorische<br />
Signal erzeugen.<br />
BC<br />
RC<br />
Derzeit sind vier X-chromosomale vererbte<br />
Loci (DFNX) kartiert, die mit dem Auftreten<br />
des nicht-syndromischen Gehörverlustes<br />
(NSHL) in Zusammenhang stehen. DFNX1<br />
ist durch eine fortschreitende Beeinträchtigung<br />
des Hörvermögens gekennzeichnet<br />
und tritt typischerweise im Alter zwischen 5<br />
und 15 Jahren bei Männern sowie bei Frauen<br />
um die 50 auf. Welche Rolle das bei DFNX1<br />
mutierte PRPS1-Gen, das ein Enzym der<br />
Nukleotidbiosynthese kodiert, im Innenohr<br />
spielt, ist unklar 2 . Ebenso fanden sich Mutationen<br />
3 im Transkriptionsfaktor Pou3F4 bei<br />
Patienten mit DFNX2. Hierbei kommen die<br />
Kinder bereits mit stark eingeschränktem<br />
Hörvermögen (prälingualer Hörverlust) zur<br />
Welt, weil die Schallübertragung zwischen<br />
Mittel- und Innenohr gestört ist. Hübner et<br />
al. untersuchten einen dritten, postlingualen<br />
NSHL in einer großen deutschen Familie. Die<br />
Krankheit beginnt bei Jungen im Alter von<br />
3 bis 7 Jahren, mit Hördefekten im oberen<br />
Frequenzband, schreitet aber progressiv<br />
bis zur Taubheit fort. Bei Frauen beginnt<br />
der Hörverlust zwischen dem 20. und 30.<br />
Lebensjahr und führt nach 10 bis 15 Jahren zu<br />
schweren Hörschädigungen, ohne dass zuvor<br />
Störungen der Schallweiterleitung aus dem<br />
Mittelohr oder eine Beeinträchtigung des<br />
Gleichgewichtssinnes zu bemerken wäre.<br />
Genomweite Kopplungsanalyse<br />
Eine genomweite Kopplungsanalyse (Gene<br />
Chip Human Mapping 10K Array, Affymetrix)<br />
deutete bei 11 der Familienmitglieder mit<br />
sehr hoher Wahrscheinlichkeit (LOD-Score<br />
2.23) darauf hin, dass der Defekt sich in einer<br />
17,5 Mb-Region auf dem Chromosomenabschnitt<br />
Xp22.12 befindet. Die Berechnung<br />
der LOD-Scores erfolgte mit dem Programm<br />
ALLE GRO 4 unter der Annahme einer dominanten<br />
Vererbung mit vollständiger Penetranz.<br />
Die Allelfrequenz der pathogenen Variante<br />
wurde auf 0,0001 gesetzt. Die mit MERLIN 5<br />
konstruierten Haplotypen für SNP-Marker<br />
auf dem Chromosomenabschnitt Xp22.12<br />
engten den Krankheits-Locus auf die Region<br />
zwischen rs1482816 und rs1557901 ein.<br />
Identifikation des ursächlichen Gens<br />
mit NimbleGen SeqCap TM Arrays<br />
Um die dem Hörverlust zugrundeliegende<br />
Genmutation zu identifizieren, wurden alle<br />
Exons und je 1KB der Promotoren der 88<br />
proteincodierenden Regionen der Zielregion<br />
zweier betroffener Männer sowie bekannte<br />
miRNAs mit dem Roche NimbleGen 385K<br />
Custom Sequence Capture Array angereichert<br />
(Dienstleister: ATLAS Biolabs GmbH)<br />
und sequenziert (Dienstleister: Cologne<br />
Center for Genomics). Der Chip repräsentierte<br />
dabei 96,3% der Zielsequenzen des<br />
Krankheitslocus. Insgesamt wurden die<br />
Targetgensequenzen um den Faktor 280<br />
bzw. 284 angereichert, wie qPCR-Kontrollen<br />
ergaben. Nach Elution der hybridisierten<br />
Sequenzen vom Array und Amplifikation<br />
wurden diese sequenziert (Illumina GA IIx)<br />
und lieferten 2,8286 Gb bzw. 2,6060 Gb<br />
Rohsequenz. Die Reads wurden mit der MAQ<br />
short read-Alignment-Software 5 gegen das<br />
humane Referenzgenom (Version hg19)<br />
kartiert. Einzelbasen-Variationen (SNPs)<br />
wurden mittels MAQ, Indels mittels dem<br />
BWA-Aligner 6 und SAM-Tool 7 analysiert.<br />
Auf diese Weise identifizierten Hübner und<br />
Kollegen 3.858 bzw. 3.443 X-chromosomale<br />
Varianten in den beiden Personen.<br />
Zugleich wurden DNA-Proben weiterer<br />
betroffener Männer dieser Familie hinsichtlich<br />
hochpolymorpher Mikrosatelliten-<br />
Marker genotypisiert. Die Kopplungsregion<br />
konnte so auf eine 8,5 Mb-Region eingeengt<br />
werden, die nur noch 398 bzw. 347 single<br />
nucleotide-Varianten (SNVs) enthielt. Diese<br />
wurden hinsichtlich ihrer evolutionären Konserviertheit<br />
und ihrer Auswirkungen auf die<br />
Proteinbiosynthese weiter analysiert. Nach<br />
Sanger-Sequenzierung des aussichtsreichsten<br />
Kandidaten – einer nonsense-Mutation<br />
des small muscle protein, X-linked (SMPX)<br />
– zeigte sich, dass das Sequenzintervall den<br />
DFNX4-Locus enthielt.<br />
Dieser X-chromosomale Locus war 1996<br />
bereits von Forschungspartnern von Hübner<br />
et al. in einer spanischen Familie kartiert<br />
worden 8 und steht in Zusammenhang mit<br />
dem Auftreten eines fortschreitenden, postlingualen<br />
Hörverlust. Bei Männern tritt die<br />
Erkrankung allerdings erst zwischen dem 5.<br />
und 7. Lebensjahr, bei Frauen erst im vierten<br />
Lebensjahrzehnt auf. Die retrospektive<br />
Analyse von SMPX in dieser Familie lieferte<br />
gleichfalls eine nonsense-Mutation (c175<br />
G>T) in der proteinkodierenden Sequenz.<br />
Ebenso wie die in der deutschen Familie<br />
identifizierte Mutation (c.109G>T) scheint<br />
diese über vorzeitige Stopp-Codons einen<br />
18 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Sequence Capture Zielgen-Anreicherung<br />
Porvair hairdryer <strong>Laborwelt</strong> DE 116.5x90_Layout 1 07/03/2012 17:25 Page 1<br />
ACHEMA<br />
Halle 4.2 E44<br />
ANALYTICA Halle B2 215<br />
mRNA-Abbau und damit Funktionsausfall des SMPX-Proteins zu<br />
verursachen. Gestützt wird diese Hypothese durch zwei weitere,<br />
unabhängige Familienstudien 9 , die ebenfalls zeitgleich zeigen, dass<br />
SMPX das mutierte Gen bei der DFNX4-vermittelten Taubheit ist.<br />
Immunlokalisation von SMPX<br />
Immunlokalisationsstudien mit SMPX-Antikörpern ergaben, dass<br />
SMPX in verschiedenen Zellen des Innenohrs von Mäusen exprimiert<br />
wird (vgl. Hintergrund): Neben der Expression in nichtsensorischen<br />
Zellen wie Deiters- (DC), Böttcher- (BC) oder Pillar-Zellen (PC) zeigte<br />
sich auch eine schwache Expression in Haarzellen (iHC, oHC). Hübner<br />
et al. vermuten, dass SMPX zur Erhaltung der mechano-sensitiven<br />
Stereocilien auf den sensorischen Haarzellen der Cochlea erforderlich<br />
ist.<br />
Sie sehen gewisse Parallelen zur Funktion von SMPX in Muskelgewebe<br />
des Menschen 10-12 . Dort ist das 88 Aminsäuren-Protein in<br />
sogenannten Costameren lokalisiert – mechano-sensitiven Proteinkomplexen<br />
die die Sarcolemmamembran vor Schäden durch mechanischen<br />
Stress bei der Muskelkontraktion schützen.<br />
Literatur<br />
[1] Huebner AK, Gandia M, Frommolt P, Maak A, Wicklein EM, Thiele H, Altmüller J, Wagner<br />
F, Viñuela A, Aguirre LA, Moreno F, Maier H, Rau I, Giesselmann S, Nürnberg G, Gal A,<br />
Nürnberg P, Hübner CA, del Castillo I, Kurth I. (2011): Nonsense mutations in SMPX,<br />
encoding a protein responsive to physical force, result in X-chromosomal hearing loss.<br />
Am J Hum Genet. 88(5):621-7<br />
[2] Liu X, Han D, Li J, Han B, Ouyang X, Cheng J, Li X, Jin Z, Wang Y, Bitner-Glindzicz M,<br />
Kong X, Xu H, Kantardzhieva A, Eavey RD, Seidman CE, Seidman JG, Du LL, Chen ZY,<br />
Dai P, Teng M, Yan D, Yuan H. (2010): Loss-of-function mutations in the PRPS1 gene<br />
cause a type of nonsyndromic X-linked sensorineural deafness, DFN2. Am J Hum Genet.<br />
86(1):65-71.<br />
[3] De Brouwer AP, van Bokhoven H, Nabuurs SB, Arts WF, Christodoulou J, Duley J. (2010):<br />
PRPS1 mutations: four distinct syndromes and potential treatment. Am J Hum Genet.<br />
86(4):506-18. Review.<br />
[4] Gudbjartsson DF, Jonasson K, Frigge ML, Kong A. (2000): Allegro, a new computer<br />
program for multipoint linkage analysis. Nat Genet. 25(1):12-3.<br />
[5] Li, H., Ruan, J., and Durbin, R. (2008). Mapping short DNA sequencing reads and calling<br />
variants using mapping quality scores. Genome Res. 18, 1851–1858.<br />
[6] Li, H., and Durbin, R. (2009). Fast and accurate short read alignment with Burrows-<br />
Wheeler transform. Bioinformatics 25, 1754–1760.<br />
[7] Li, H., Handsaker, B., Wysoker, A., Fennell, T., Ruan, J., Homer, N., Marth, G., Abecasis,<br />
G., and Durbin, R.; 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. (2009). The Sequence<br />
Alignment/Map format and SAMtools. Bioinformatics 25, 2078–2079.<br />
[8] Del Castillo I, Villamar M, Sarduy M, Romero L, Herraiz C, Hernández FJ, Rodríguez<br />
M, Borrás I, Montero A, Bellón J, Tapia MC, Moreno F. (1996): A novel locus for nonsyndromic<br />
sensorineural deafness (DFN6) maps to chromosome Xp22. Hum Mol Genet.<br />
5(9):1383-7.<br />
[9] Schraders M, Haas SA, Weegerink NJ, Oostrik J, Hu H, Hoefsloot LH, Kannan S, Huygen<br />
PL, Pennings RJ, Admiraal RJ, Kalscheuer VM, Kunst HP, Kremer H. (2011): Next-generation<br />
sequencing identifies mutations of SMPX, which encodes the small muscle protein,<br />
X-linked, as a cause of progressive hearing impairment. Am J Hum Genet. 88(5):628-34.<br />
[10] Patzak D, Zhuchenko O, Lee CC, Wehnert M. (1999): Identification, mapping, and genomic<br />
structure of a novel X-chromosomal human gene (SMPX) encoding a small muscular<br />
protein. Hum Genet. (5):506-12.<br />
[11] Kemp TJ, Sadusky TJ, Simon M, Brown R, Eastwood M, Sassoon DA, Coulton GR. (2001):<br />
Identification of a novel stretch-responsive skeletal muscle gene (Smpx). Genomics.<br />
72(3):260-71<br />
[12] Geiger B, Bershadsky A. (2002): Exploring the neighborhood: adhesion-coupled cell<br />
mechanosensors. Cell. 2002 Jul 26;110(2):139-42. Review.<br />
Korrespondenzadresse<br />
Dr. Burkhard Ziebolz<br />
Roche Diagnostics GmbH<br />
Nonnenwald 2<br />
82377 Penzberg<br />
Tel.: +49-8856-604830<br />
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Zielgen-Anreicherung Mikrofluidik<br />
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Dr. Manfred Koranda, Sony DADC Austria AG, Salzburg<br />
Bereits vor zwei Jahren berichtete RainDance Technologies Inc. von einem skalierbaren Multiplex-<br />
PCR-Verfahren auf Basis seiner Mikrotröpfchen-Technologie, mit dem sich interessierende genomische<br />
Regionen vor Sequenzierung gezielt anreichern lassen (vgl. LABORWELT 3/2009). Dank dem<br />
Fertigungs-Know-how von Sony DADC steht nach zweijähriger Kooperation jetzt ein hochdurchsatzfähiger<br />
Chip zur Verfügung, der einen wirtschaftlichen Einsatz der Next Generation-Sequenzierung<br />
zur Untersuchung von krankheitsassoziierten Genen, SNPs, chromosomaler Hot Spots etc, ermöglicht.<br />
Neben der Targetgen-Anreicherung soll der Chip künftig auch zur Zellsortierung eingesetzt<br />
werden. RainDance nimmt durch die von Sony DADC produzierten „Smart Consumables” erfolgreich<br />
am Wettbewerb um den Hochdurchsatz-Markt für Life Sciences-Instrumente teil.<br />
Die auf Mikro-Tröpfchen basierende, „highthroughput“-fähige<br />
Kerntechnologie von<br />
Rain Dance, RainStorm TM , erzeugt Millionen<br />
aufeinanderfolgender Tröpfchen, die als<br />
distinkte Reaktionsräume fungieren und<br />
ein einzelnes Molekül, eine Zelle oder eine<br />
Reaktion umschließen können (Abb. 1). Bei<br />
der Targetgen-Anreicherung fungiert jedes<br />
Tröpfchen als Reaktionsraum, in dem genomische<br />
DNA auf ein Primerpaar trifft und mittels<br />
PCR amplifiziert wird. Dazu werden auf einem<br />
Mikrofluid-Chip zunächst Tröpfchen erzeugt, je<br />
Abb. 2: Das Herzstück der gezielten Genanreicherung<br />
durch Mikrotröpfchen-<br />
PCR: der HeatWave TM -Chip<br />
ein Tröpfchen mit genomischer DNA und mit<br />
Primer zusammengeführt, fusioniert und die<br />
Tröpfchen in PCR-Röhrchen gesammelt. Nach<br />
hochparalleler PCR in den Millionen Tropfen<br />
können die gezielt angereicherten DNA-Abschnitte<br />
sequenziert werden (vgl. Abb. 1).<br />
Das Flagschiff von RainDance ist das RDT<br />
ThunderStorm System – eine vollautomatisierte<br />
Instrumenten-Plattform für das gezielte<br />
Next-Generation-Sequenzierung, die kompatibel<br />
mit allen marktgängigen Sequenzern ist<br />
und eine genaue Klassifizierung potentiell aller<br />
Abb. 1: Um interessierende genomische Loci hochparallel anzureichen, werden beim Rainstorm TM -Verfahren zunächst mit einem Netzmittel stabilisierte<br />
Tröpfchen von je 8 pl Volumen erzeugt, die PCR-Primerpaare (a) und genomische Template-DNA (b) enthalten. Je ein Tropfen der<br />
Bibliothek mit bis zu 4.000 Primerpaaren und je ein Tropfen mit der genomischen DNA werden in separate Kanäle eines Mikrofluidikchips<br />
geladen, paaren sich dort und werden in einer Kammer (c) durch ein elektrisches Feld (schwarze Dreiecke = Elektroden) fusioniert. Die<br />
PCR-Tröpchen werden außerhalb des Chips in Standard-PCR Tubes gesammelt. Die enthaltene DNA wird anschließend in handelsüblichen<br />
Thermocyclern im Tropfen amplifiziert. Dies ermöglicht ein Multiplexing in einem PCR-Röhrchen, das mehreren hundert bis tausend Amplifikation<br />
unter den Bedingungen einer Singleplex-Reaktion entspricht.<br />
20 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Mikrofluidik Zielgen-Anreicherung<br />
Varianten in jeder Regionen eines Genoms<br />
ermöglicht. Dies ist zum Beispiel bei der Erkennung<br />
von krebsassoziierter Mutationen<br />
hilfreich. Herzstück des ThunderStorm ist der<br />
HeatWave TM TS-Probenchip (Abb. 2). Entwickelt<br />
und produziert von Sony DADC ermöglicht<br />
dieses „Smart Consumable“ die äußerst präzisen<br />
Mikro-Tröpfchen-Manipulationen, die<br />
für Hochdurchsatz-Analyse benötigt werden.<br />
Der Chip kommt dabei ohne bewegliche Teile<br />
oder Ventile aus.<br />
Kombination von Fertigungsund<br />
Assay-Know how<br />
RainDance trat erstmals 2009 an Sony DADC<br />
heran, als das Unternehmen mit der Herausforderung<br />
konfrontiert war, einen funktionierenden<br />
Prototypen aus PDMS in ein robustes<br />
„high-throughput“-Einwegprodukt für die<br />
Massenfertigung zu transformieren. Der<br />
nur einmalige Gebrauch des Chips war eine<br />
essentielle Voraussetzung, um eventuelle<br />
Probenkontaminationen – eine große Gefahr<br />
bei Genanalysen – auszuschließen. Besonders<br />
attraktiv für RainDance war dabei Sony DADCs<br />
anerkannte Fähigkeit, mikrofluidische Kanäle<br />
in kostengünstigem Kunststoff anstatt in<br />
teuren metallischen oder keramischen Chips<br />
fertigen zu können – Schlüsselaspekt für die<br />
tatsächliche Kosteneffizienz bei der Produktion<br />
und damit für die Massentauglichkeit<br />
des Systems.<br />
Das Produkt sollte den gesamten biochemischen<br />
Workflow (Abb. 1) abdecken: Einbringen<br />
der gereinigten genomischen DNA,<br />
Verpackung in Tröpfchen und anschließende<br />
Fusion mit „Master-Mix“-Tröpfchen einer<br />
Primer-Bibliothek, um diese für anschließende<br />
PCR-Reaktionen einzusetzen (vgl. Abb. 1). Dies<br />
war eine nicht zu unterschätzende Herausforderung,<br />
denn schon der Prototyp des Chips war<br />
komplex: mit Filterstruktur, Kanälen und Elektroden.<br />
Zuerst lösten stellten die Designer von<br />
Sony DADC sicher, dass die mikrofluidischen<br />
Kanäle während des Bonding-Prozesses nicht<br />
zerstört werden und ihr Durchmesser präzise<br />
innerhalb des engen Toleranzbereiches liegt,<br />
der ein reproduzierbares Tröpfchenvolumen<br />
garantiert (± 1%). Des Weiteren war es notwendig,<br />
die Elektroden genau positioniert zu<br />
drucken, um exakt definierte Tröpfchenfusionen<br />
zu induzieren. Mitentscheidend für die Fertigung<br />
eines massentauglichen Chip war, dass<br />
Sony DADC die gesamte Wertschöpfungskette<br />
abdecken kann – von Mastering zu Spritzguss,<br />
inklusive Elektrodendruck, Verklebung und Assemblierung<br />
sowie Etikettierung, Verpackung<br />
und Logistik. Ein weiterer Faktor war es, eine<br />
langfristige Zusammenarbeit sicherstellen<br />
zu können, wie für Sony DADC als weltweit<br />
führenden Produzenten möglich.<br />
Abb. 3: Stapelbar: der HeatWave TM TS-Chip<br />
Die von Sony DADC produzierte Version des<br />
HeatWave TM -Chips erhielt bei seiner Markteinführung<br />
im Herbst 2011 das Lob der Kritiker und<br />
unterstützt alle kommerziellen Anwendungen<br />
des RDT ThunderStorm-Systems. Dies schließt<br />
sowohl die „targeted ultra-deep cancer mutation<br />
detection” als auch die firmeneigenen<br />
Screening-Panels für Genanalysen mit ein:<br />
ADMESeq, ASDSeq, XSeq und HLASeq.<br />
Aufgrund des rapiden Fortschritts der<br />
Genomforschung war RainDance von Beginn<br />
an interessiert, einen Chip anzubieten, der<br />
gleichzeitig zwei Proben analysieren kann.<br />
Sony DADC hat dies ermöglicht: Der Heat-<br />
Wave TM TS Chip wird im zweiten Quartal 2012<br />
in die Massenproduktion gehen. Dank seiner<br />
Stapelbarkeit (Abb. 3) und der Möglichkeit<br />
der vollautomatisierten Probenbeladung verspricht<br />
der neue Chip, die Produktivität auf<br />
ein bis dato unbekanntes Niveau zu heben<br />
und ermöglicht es Wissenschaftlern so, die<br />
Analysenkosten pro Probe zu senken und den<br />
Personalaufwand – verglichen mit anderen<br />
Methoden – deutlich zu reduzieren.<br />
Roch Kelly, Senior Vice President Operations<br />
bei RainDance, zeigt sich mit der Zusammenarbeit<br />
hochzufrieden: „Dank den zahlreichen<br />
Vorteilen des von Sony DADC produzierten neuen<br />
HeatWave TS Chips können unsere Kunden<br />
ihre Proben schneller, einfacher und weitaus<br />
kostengünstiger als jemals zuvor analysieren.<br />
Sony DADC ist ein erstklassiger Zulieferer, der<br />
auf jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen<br />
der Fertigung optischer Disks und regulierte<br />
Märkte zurückgreifen kann und somit eine<br />
wertvolle Quelle für zukünftige Produkte im<br />
Bereich „Smart Consumables“ darstellt.<br />
Laut Christoph Mauracher, Senior Vice President<br />
bei Sony DADC BioSciences, belegt die<br />
Zusammenarbeit mit RainDance, dass Sony<br />
DADC ein Schlüsselpartner für führende Life<br />
Sciences-Unternehmen weltweit sein kann.<br />
„Wir glauben, dass unsere Fähigkeit, hochentwickelte<br />
Mikrostrukturen in Polymeren<br />
herstellen zu können, kombiniert mit flexibler<br />
Produktion und Logistik exakt die Kombination<br />
liefert, wie sie von aufstrebenden und etablierten<br />
Unternehmen in diesem aufregendem<br />
Markt benötigt werden.“<br />
Korrespondenzadresse<br />
Manfred Koranda,<br />
Sony DADC Austria AG<br />
Sonystrasse 20<br />
A-5081 Anif, Salzburg<br />
Manfred.Koranda@sonydadc.com<br />
www.sonydadc.com<br />
Andy Noble,<br />
RainDance Technologies, Inc.<br />
44 Hartwell Avenue<br />
Lexington, MA 02421<br />
noblea@raindancetech.com<br />
Kultursysteme<br />
Isolieren Kultivieren Produzieren<br />
Dunn Labortechnik GmbH · Thelenberg 6 · 53567 Asbach<br />
Tel. +49 26 83 / 4 30 94 · Fax +49 26 83 / 4 27 76 · e-mail: info@dunnlab.de · Internet: www.dunnlab.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 21
Zielgen-Anreicherung Automation<br />
Automation der Zielgenanreicherung<br />
für den<br />
Genome Sequencer FLX<br />
Darren Birr, 454 Life Science, Branford, USA<br />
Die Standardisierung und Automatisierung der Probenvorbereitung für das Next Generation Sequencing<br />
ist die Voraussetzung für die Erhebung in sich konsistenter Daten im Rahmen genomweiter<br />
Sequenzierungsstudien. Eine Kombination der Microlab® Starlet Liquid Handling Workstation<br />
(Hamilton Robotics) mit Roches REM e Liquid Handling-System reduziert die „hands-on“-Zeit der<br />
Probenvorbereitung für die Sequenzierung auf dem Genome Sequencer FLX (454 Life Sciences/<br />
Roche Applied Science) von 5 Stunden auf 15 Minuten. Zusätzlich vermindert die walk away-<br />
Automatisierung des Emulsions-PCR-Schrittes sowie des Primer-Hybridisierungsschrittes bei der<br />
Zielgenanreicherung die Variabilität der Sequenzierungsergebnisse im Vergleich zur manuellen<br />
Probenvorbereitung.<br />
Die Genome Sequencer FLX (GS FLX)-Plattform<br />
(Roche Applied Science, Penzberg) bietet<br />
Vorteile bei der de novo-Sequenzierung und<br />
-Assemblierung genomischer DNA, beim<br />
Transkriptom- und Amplicon-Sequencing<br />
sowie bei der Analyse kleiner RNAs. Der<br />
Arbeitsablauf auf dem GS FLX System besteht<br />
aus vier Schritten: Dem Erzeugen der<br />
Sequenzbibliothek, der klonalen Sequenz-<br />
Amplifikation mittels Emulsions-PCR, der<br />
Sequenzierung selbst und der bioinformatischen<br />
Datenauswertung.<br />
Roches REM e System ermöglicht eine<br />
vollständige Automatisierung der Sequenzamplifikation<br />
und des Annealings der Sequenzprimer<br />
im Rahmen der Emulsions-PCR<br />
mit GS FLX Titanium-Reagenzien (vgl. Abb.<br />
2). Gegenüber der manuellen Probenvorbereitung<br />
vereinfacht die Kombination einer<br />
Liquid Handling-Plattform mit dem REM e<br />
System die Durchführung der Emulsions-PCR<br />
signifikant: Fünf Stunden manuelle Laborarbeit<br />
werden durch einen reproduzierbaren,<br />
vollautomatischen Prozess ersetzt.<br />
Insgesamt stehen nach Positionierung<br />
des REM e Moduls auf der Arbeitsfläche des<br />
Microlab® STARlet Liquid Handling-Systems<br />
fünf verschiedene, vollautomatisierte REM<br />
e-Protokolle zur Verfügung, mit denen bis<br />
zu acht Proben parallel bearbeitet werden<br />
können.<br />
Das REM e Modul übernimmt dabei das<br />
Vortexen, die Vakuumfiltration, den Sequenz-<br />
Capture-Schritt mit Magnetbeads und das<br />
Erhitzen. Das Microlab® STARlet System<br />
führt alle Flüssigkeitstransfer mit Hilfe<br />
seiner voneinander unabhängigen 1.000 µl-<br />
Pipettierkanäle durch.<br />
In einer Testserie wurde ermittelt, ob die<br />
Integration des REM e Systems in die Microlab®<br />
STARlet Liquid Handling Workstation zu<br />
vergleichbaren Anreicherungsergebnissen<br />
führt wie die für Pipettierfehler anfälligere<br />
und wesentlich langsamere manuelle Probenvorbereitung.<br />
Jetzt noch schneller informiert mit<br />
www.<br />
.de<br />
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22 transkript_Web_EA_185x120.indd | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 1<br />
06.03.2012 LABORWELT<br />
12:27:50 Uhr
Automation Zielgen-Anreicherung<br />
www.laborwelt.de<br />
Das REM e System wurde gemäß Herstellervorgaben<br />
installiert und die „Large Volume 4<br />
Emulsion Cups per Run“-Methode mit Hilfe<br />
der Hamilton-Software Vector 4.2.0.6425<br />
programmiert. Emulsions-PCR-Amplifikationsansätze<br />
wurden für vier zuvor generierte<br />
GS FLX Titanium Rapid Libraries gemäß Herstellerangaben<br />
angesetzt.<br />
Nach Amplifikation mit der emPCR-Methode<br />
für große Volumina (LV) wurde die Wasser-Öl-<br />
Emulsion aufgebrochen (gemäß Manual: bis<br />
Schritt 13/Abschnitt 3.5.3.), die Beads jeder<br />
LV-Probe in einem konischen 50 ml-Röhrchen<br />
vereint und mit Enhancing Fluid XT des emPCR<br />
Kits auf 5 ml aufgefüllt.<br />
Die Proben wurden dann gemäß REM e<br />
System anleitung auf dem Hamilton Microlab®<br />
STARlet plaziert und vier Emulsions-Cups<br />
prozessiert, wie im REM e System-Protokoll<br />
beschrieben.<br />
Abb. 1: Das REM e System für den Next Generation Sequencer GS FLX (454/Roche Applied<br />
Science), hier integriert in Hamiltons Liquid handling-Plattform Microlab® STARlet<br />
Abb. 2: Arbeitsablauf der 454-Sequenzierung auf dem GS FLX System. Zunächst wird eine<br />
Bibliothek einzelsträngiger Template-DNA erzeugt. Im zweiten Schritt erfolgt die<br />
Bindung der Template-DNA an magnetische Beads, deren anschließende, „klonale“<br />
Amplifikation via Emulsions-PCR, das „Aufbrechen“ der Wasser-Öl-Emulsion, die<br />
Anreicherung DNA-positiver Beads und Auftrennung in die Kavitäten einer Picotiterplatte,<br />
in der das Pyrosequencing stattfindet.<br />
Methoden<br />
Das hier eingesetzte Microlab® STARlet Liquid<br />
Handling System war mit folgenden Komponenten<br />
ausgestattet:<br />
l autonome 1000 µl Pipettierkanäle (Hamilton)<br />
l REM e System (454 Life Sciences)<br />
l REM e System Tube Rack Carrier (Hamilton)<br />
l REM e System Deck Module Carrier<br />
(Hamilton)<br />
l 3 x 120 ml Reagent Carrier (Hamilton)<br />
l 120 ml Reagent Trough (Hamilton)<br />
l Tip Carrier (Hamilton)<br />
l 1000 µl CO-RE-Einmalpipettenspitzen<br />
(Hamilton).<br />
Tab. 1: Ergebnisse der Sequenzanreicherung von vier Proben auf dem REM e System. Zur<br />
Erzeugung aller vier Bibliotheken wurden 35 Mio. Beads eingesetzt. LV = large volume<br />
Bibliothek<br />
Emulsions-PCR<br />
Protokoll<br />
Endvolumen [µl]<br />
Bead Count<br />
Wiedergewinnung<br />
[%]<br />
Beadausbeute<br />
1 LV 696 3.898 8 2.713.008<br />
2 LV 746 3.952 8 2.948.192<br />
3 LV 820 3.048 7 2.499.360<br />
4 LV 800 3.960 9 3.168.000<br />
Ergebnisse<br />
Nach Anreicherung mittels des REM e<br />
Systems wurden die Beads durchflusszytometrisch<br />
gemäß Herstellerangaben gezählt.<br />
Dabei wurde bei allen vier Proben die<br />
gewünschte Anreicherung um 5 % bis 20 %<br />
erzielt (vgl. Tab. 1). Die Beads wurden unter<br />
Einsatz einer in vier Bereiche unterteilten<br />
Picotiterplatte sequenziert.<br />
Sowohl die Sequenzanreicherung (Tab. 1)<br />
als auch die mittleren Leselängen (mit rund<br />
400 Basen) lagen im Zielbereich. Damit<br />
liefert die Automation der Probenvorbereitung<br />
mit Hilfe der Microlab® Starlet Liquid<br />
Handling Workstation qualitativ hochwertige<br />
Sequenzierergebnisse bei signifikanter<br />
Reduktion der Hands-on-Zeit und des Risikos<br />
für Pipettierfehler. Das hier vorgestellte System<br />
ist geeignet für alle Typen von GS FLX-<br />
Titanium-Bibliotheken – wie Shotgun-, Paired<br />
End-, cDNA- und Amplicon-Libraries mit oder<br />
ohne Multiplex Identifiern (MIDs) – sowie für<br />
Emulsions-PCR-Formate mit kleinen, mittleren<br />
und großen Volumina.<br />
Korrespondenzadresse<br />
Bobby Chavli<br />
Hamilton Robotics<br />
4970 Energy Way<br />
Reno, NV 89502 USA<br />
bobby.chavli@hamiltoncompany.com<br />
Marieke Mäder<br />
Hamilton Robotics<br />
Fraunhoferstraße 17<br />
82152 Martinsried<br />
MMaeder@hamiltonrobotics.com<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 23
Zielgen-Anreicherung Expertenpanel<br />
NGS-basierte Diagnostik<br />
Sequenzierungs-basierte Diagnose-Assays spielen vor allem eine Rolle Diagnostik monogener<br />
Erkrankungen. Mit zunehmender Genauigkeit, aber auch durch den rapiden Kostenverfall beim<br />
Next-Generation Sequencing werden neben der klassischen Sanger-Methode die ultraschnellen<br />
Sequenzer zunehmend interessant für die Diagnostik. Als großer Vorteil erscheint dabei, dass die<br />
bisherige Stufendiagnostik durch die Erfassung multipler Mutationen in einem einzigen Test eingesetzt<br />
werden kann. Da die Maschinen aber bislang alles andere als einfach bedienbar sind, wie<br />
sonstige Diagnostiktest, werden die meisten Tests bislang von hochspezialisierten Dienstleistern<br />
angeboten. Bis die zum Einsatz standardisierter Assays in der klinischen Diagnostik scheint es<br />
indes noch ein weiter Weg.<br />
Saskia Biskup<br />
Dr. Dr. med Saskia<br />
Biskup ist die<br />
Gründerin und<br />
Geschäftsführerin<br />
der CeGaT GmbH<br />
in Tübingen<br />
LABORWELT:<br />
Welche Vorteile bieten Diagnostikpanels auf<br />
Basis des Next-Generation Sequencings und<br />
wie genau müssen sie mindestens sein<br />
Biskup:<br />
Unter einem Diagnostik-Panel versteht<br />
man die gleichzeitige Sequenzierung aller<br />
für eine bestimmte Erkrankung relevanten<br />
Gene. Dies ist deutlich schneller und kostengünstiger<br />
als die herkömmliche Gen-für-<br />
Gen-Sequenzierung. Zudem – und das ist das<br />
Entscheidende – führt die Panel-Diagnostik<br />
aufgrund der parallelen Sequenzierung von<br />
bis zu mehreren hundert Genen signifikant<br />
häufiger zum Auffinden der genetischen Ursache.<br />
Ziel der genetischen Diagnostik ist die<br />
Diagnosesicherung und damit die eindeutige<br />
Zuordnung des Krankheitsbildes. Dadurch<br />
erhalten Patienten Gewissheit, eine Prognoseabschätzung<br />
kann getroffen werden,<br />
und Familienangehörige können beraten und<br />
gegebenenfalls präventiv behandelt werden.<br />
Zudem können Therapien angepasst und<br />
wirkungslose Therapien vermieden werden.<br />
Die Panel-Diagnostik ist eine neu verfügbare<br />
Methode, mit der Veränderungen in den<br />
untersuchten Genen mit hoher Genauigkeit<br />
ausgeschlossen oder identifiziert werden<br />
können. Diese hohe Genauigkeit ist der wichtigste<br />
Vorteil gegenüber der Gesamtgenom-<br />
Sequenzierung. Zudem wird das Auffinden<br />
von Zufallsbefunden, die nicht im Zusammenhang<br />
mit der untersuchten Erkrankung<br />
stehen, praktisch ausgeschlossen. Insgesamt<br />
führen die Diagnostik-Panels zu deutlich<br />
höheren Aufklärungsquoten und stehen<br />
* Dr. Klein arbeitet am Zentrum für Humangenetik und Laboratoriumsmedizin<br />
Dr. Klein, Dr. Rost und Kollegen in Martinsried<br />
als schnelle, effiziente und kostengünstige<br />
Methode für Ratsuchende, Betroffene,<br />
Ärzte und Wissenschaftler weltweit zur<br />
Verfügung.<br />
Hans-Georg<br />
Klein<br />
Dr. med. Hanns-<br />
Georg Klein, Facharzt<br />
für Laboratoriumsmedizin,<br />
Medizinische Genetik,<br />
Martinsried*<br />
LABORWELT:<br />
Welchen Nutzen verspricht eine NGS-basierte<br />
DNA-Analytik in der molekularen Onkologie<br />
und der HLA-Typisierung<br />
Klein:<br />
Das Verständnis der molekularen Mechanismen,<br />
die zur Tumorentstehung und -progression<br />
oder Therapieresistenz führen, sind<br />
wichtig für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente.<br />
Mit Beginn der systematischen<br />
Genomforschung vor etwa 20 Jahren konnten<br />
neue Zielstrukturen identifiziert werden, die<br />
individuellere und nebenwirkungsärmere<br />
Therapien möglich machten. Die Charakterisierung<br />
von Mutations- und Aktivierungsmustern<br />
bestimmter Gene identifizierte<br />
„oncogene targets“ und wurde damit zur<br />
Grundlage einer stratifizierten Therapie mit<br />
monoklonalen Antikörpern (mAB) oder „small<br />
molecules“ (z.B. Tyrosinkinaseinhibitoren TKI).<br />
Dieser Ansatz wird unter dem Begriff „personalisierte<br />
Medizin“ zusammengefasst und<br />
heute durch den Einsatz von Hochdurchsatz-<br />
NGS-Geräten nochmals erheblich beflügelt.<br />
Für die Diagnostik relevant ist die Tatsache,<br />
dass bei hämatopoetischen Neoplasien und<br />
soliden Tumoren meist eine Mischung von<br />
Tumorzellen und normalen Zellen vorliegt,<br />
so dass bereits kleinste DNA-Veränderungen<br />
sehr sensitiv erfasst werden müssen. Während<br />
bei der DNA-Sequenzanalyse nach<br />
Sanger die Nachweisgrenze von Minoritäten<br />
bei etwa 20% liegt, können mittels NGS bei<br />
einer entsprechenden Abdeckung bereits 1-5%<br />
mutierte Zellen gegen einen Hintergrund von<br />
95-99% detektiert werden. Bei Leukämien<br />
können beispielsweise Therapieverläufe und<br />
minimale Resterkrankung beobachtet oder<br />
prognostisch ungünstige Mutationen frühzeitig<br />
detektiert werden. Die Sensitivität von<br />
NGS steigert bei soliden Tumoren die Detektionsrate,<br />
insbesondere bei limitiertem Biopsiematerial,<br />
wie es häufig bei der Untersuchung<br />
von Lungentumoren der Fall ist. Ein weiterer<br />
Vorteil von NGS ist, dass in einem gezielten<br />
Amplikon-basierten Ansatz verschiedene<br />
onkogene Targets unterschiedlicher Patienten<br />
parallel, zeitnah und kostengünstig analysiert<br />
werden können.<br />
Die allogene Blutstammzelltransplantation<br />
ist bei Erkrankungen der blutbildenden<br />
Organe oft die einzige kurative Therapiemöglichkeit.<br />
Die Beurteilung der Kompatibilität<br />
zwischen Spender und Empfänger beruht auf<br />
der Bestimmung von HLA-Merkmalen. Diese<br />
liegen im hochvariablen Haupthistokompatibilitätskomplex<br />
(MHC), der über 400 Gene<br />
mit vorwiegend immunologischer Funktion<br />
beinhaltet. Aufgrund der hohen Variabilität<br />
der HLA-Merkmale ist eine eindeutige Bestimmung<br />
der Allele mit herkömmlicher Sequenzierung<br />
nicht immer möglich. Beim NGS-Verfahren<br />
wird eine klonale Sequenzierung des<br />
amplifizierten DNA-Materials durchgeführt,<br />
wodurch eine deutlich bessere Auflösung<br />
der HLA-Allele möglich ist. Gleichzeitig kann<br />
der Probendurchsatz mit sogenannten DNA-<br />
Barcodes (Multiplex Identifiers) auf mehrere<br />
hundert Proben pro Sequenzierlauf erhöht<br />
werden. Bei der Suche nach einem geeigneten<br />
Spender werden derzeit nur einzelne Exons<br />
von vier bis sechs HLA-Genen untersucht.<br />
Trotz vollständiger Übereinstimmung der<br />
untersuchten Merkmale kommt es nach der<br />
Transplantation häufig zu den schweren<br />
Komplikationen Transplantat-gegen-Wirt-<br />
Erkrankung oder Transplantatabstoßung. Das<br />
NGS-Verfahren ermöglicht mit angemessenem<br />
Zeit- und Kostenaufwand die Untersuchung<br />
genetischer Unterschiede auf weitere<br />
potentiell relevante Gene auszuweiten. Somit<br />
können die Spenderauswahl optimiert und<br />
letztendlich bessere Transplantationsergebnisse<br />
erzielt werden.<br />
24 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Expertenpanel Zielgen-Anreicherung<br />
Wera Hofmann<br />
Dr. Wera Hofmann,<br />
ist Medical Director<br />
der LifeCodexx AG,<br />
eines Tochterunternehmens<br />
der<br />
Konstanzer GATC<br />
Biotech AG<br />
LABORWELT:<br />
Welche Vorteile und Limitierungen bieten sequenzierungsbasierte<br />
Bluttests im Vergleich<br />
zu invasiven vorgeburtlichen Untersuchungsmethoden<br />
Hoffmann:<br />
Ausgangspunkt des Bluttests ist die Feststellung,<br />
dass die im mütterlichen Blut<br />
zirkulierende zellfreie fetale DNA mittels<br />
NGS-Technologien analysiert werden kann.<br />
Im Unterschied zu invasiven, vorgeburtlichen<br />
Untersuchungsmethoden birgt der Bluttest<br />
kein eingriffsbedingtes Fehlgeburtsrisiko. Bei<br />
negativem Testergebnis bleibt einer großen<br />
Mehrheit schwangerer Frauen mit einem Risiko<br />
für Chromosomenstörungen eine belastende<br />
invasive Untersuchung erspart. In Deutschland<br />
könnten daher jährlich etwa 600 ungeborene<br />
Kinder vor den tödlichen Folgen eines invasiven<br />
Eingriffs bewahrt werden. Während der Bluttest<br />
ab der 12. Schwangerschaftswoche (SSW)<br />
erfolgt, wird eine Fruchtwasseruntersuchung<br />
nicht vor der 14. SSW durchgeführt. Allerdings<br />
ist der Bluttest derzeit auf die Bestimmung<br />
von autosomalen numerischen Chromosomenstörungen<br />
wie der Trisomie 21 begrenzt.<br />
Auch gibt er keinen Aufschluss über die Form<br />
der Trisomie, ob es sich zum Beispiel um eine<br />
freie Trisomie oder eine erblich bedingte<br />
Translokations-Trisomie handelt. Dies kann nur<br />
eine invasive vorgeburtliche Untersuchung klären.<br />
Daher ist schwangeren Frauen mit einem<br />
auffälligen Ergebnis des Bluttests eine invasive<br />
vorgeburtliche Abklärung der genetischen<br />
Ursachen zu empfehlen.<br />
Daniela<br />
Steinberger<br />
Prof. Dr. Daniela<br />
Steinberger, Medizinische<br />
Leitung &<br />
Geschäftsführerin,<br />
bio.logis GmbH,<br />
Frankfurt am Main<br />
LABORWELT:<br />
Wie werden sich durch den Einzug der Next-<br />
Generation-Sequenziergeräte der Markt und<br />
die Erstattung sequenzbasierter Tests auf<br />
Erbkrankheiten verändern<br />
Steinberger:<br />
Ein Ende der rasanten Entwicklung rund um<br />
die DNA-Analysetechnologien ist derzeit<br />
überhaupt noch nicht abzusehen. Wie wir<br />
die anwendbaren Techniken bezeichnen, ob<br />
„next-“ oder „next-next-generation-sequencing“<br />
ist dabei einerlei. Hinter diesen Begriffen,<br />
verbergen sich ohnehin viele verschiedene<br />
Methoden.<br />
Die Methoden, die sich auf dem Markt der<br />
Diagnostik von erblichen Merkmalen und Erkrankungen<br />
durchsetzen werden, sind vermutlich<br />
durch mehrere Attribute gekennzeichnet:<br />
Die Ergebnisse sind günstig zu generieren und<br />
stabil sowie einfach in der Anwendung bei<br />
größtmöglicher Präzision. Allein das macht allerdings<br />
noch keine markt- und erstattungsfähige<br />
Diagnostik daraus. Das Management zur<br />
Nutzbarmachung der vielen günstig und akkurat<br />
produzierten Sequenzen wird dann das<br />
„next-generation“-Ding der Zukunft werden.<br />
Erst damit wird sich der Nutzen individueller<br />
Genome oder Genomteile erschließen und<br />
eine klinische Anwendung möglich. Letzteres<br />
wäre schließlich eine Voraussetzung für die<br />
Erstattung.<br />
Nach „NGS“ lauten die Akronyme und<br />
Schlagworte der Zukunft dann „GIM“ –„genetic<br />
information management“- für den<br />
mit IT-Tools strukturierten Zugang zum<br />
„Interpretom“, zur Gesamtheit der interpretierbaren<br />
DNA-Varianten. Letztlich wird die<br />
Gemeinschaft der Versicherten es sich nicht<br />
leisten können, auf Erkenntnisse genetischer<br />
Diagnostik zu verzichten.<br />
Die Einbindung des Interpretoms in die<br />
elektronische Gesundheitsakte wird dann<br />
ein Punkt im Katalog der zu erstattenden<br />
Leistungen werden.<br />
Forschung<br />
Neuronen mit Licht abschalten<br />
Biophysiker aus Bochum und Berlin haben<br />
den Schaltmechanismus des durch Licht<br />
aktivierbaren Ionenkanals Kanalrhodopsin-2<br />
(ChR2) 3<br />
aufgeklärt. Ihre Ergebnisse präsentieren<br />
die Forscher um Prof. Dr. Klaus Gerwert im<br />
Journal of Biological Chemistry (2012, Bd. 287,<br />
S. 6904). Weil der Ionenkanal die Manipulation<br />
von Nervenzellen allein durch Licht ermöglicht,<br />
hat er sich bereits zum Standardwerkzeug der<br />
Optogenetiker entwickelt. Über die genaue<br />
Funktionsweise des Kanalrhodopsins war<br />
allerdings bislang wenig bekannt. Dies haben<br />
die Bochumer Biophysiker und ihre Partner<br />
von der Humboldt-Universität und der Charité<br />
Berlin jetzt geändert. Ende Februar berichteten<br />
sie über den genauen Schaltmechanismus<br />
des Ionenkanals. Danach löst eine durch Licht<br />
induzierte Veränderung der Aminosäure Glutaminsäure<br />
90 (E90) ein verstärktes Eindringen<br />
von Wassermolekülen in die Zelle aus, so dass<br />
das Protein nun gezielt Ionen durch die Zellmembran<br />
leiten kann. Mittels zeitaufgelöster<br />
Infrarot-Spektroskopie zeigten sie r, dass sich<br />
der Kanal dann öffnet, wenn E90 ein Wasser-<br />
Original und Modell der (ChR2) 3<br />
-Struktur<br />
stoff-Ion abgibt (Deprotonierung). Ergänzend<br />
bestätigten elektrophysiologische Experimente,<br />
dass eine Mutation der Aminosäure zu<br />
einer veränderten Ionendurchlässigkeit des<br />
Membrankanals führt. Am Computer gelang es<br />
den Forschern, zu simulieren, wie die Deprotonierung<br />
den Kanal öffnet und Wassermoleküle<br />
eindringen lässt.<br />
Forschungspolitik<br />
Mehr Geld vom<br />
Bund für Unis<br />
So schnell kann Politik gehen: Am 1.<br />
März empfahlen die sechs Forschungsweisen<br />
der Expertenkommission für<br />
Forschung und Innovation (EFI) Bundesforschungsministerin<br />
Annette Schavan<br />
in ihrem Jahresgutachten, die Unis zu<br />
fördern. Fünf Tage später kündigte die<br />
Ministerin an, das Grundgesetz ändern<br />
zu wollen. Bereits Anfang 2013 soll die Änderung<br />
des §91b, die die Finanzierung von<br />
universitären Einrichtungen durch den<br />
Bund erlaubt, mit Zweidrittel-Mehrheit<br />
beschlossen sein. Seit der Föderalismusreform<br />
2006 sind die Kooperationsmöglichkeiten<br />
zwischen Bund und Ländern<br />
stark eingeschränkt. Das Geld des Bundes<br />
fließt fast ausschließlich in außeruniversitäre<br />
Einrichtungen. Die ländereigenen<br />
Universitäten können derzeit nur zeitlich<br />
befristet über sogenannte Vorhaben,<br />
Geld vom Bund bekommen, zum Beispiel<br />
den Hochschulpakt und die 2017 auslaufende<br />
Exzellenzinitiative.<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 25
Zielgen-Anreicherung Paperwelt<br />
p53 als Trigger der<br />
Chromothripsis bei Krebs<br />
Rausch T, Jones DT, Zapatka M, Stütz AM, Zichner T, Weischenfeldt J, Jäger N, Remke M, Shih D,<br />
Northcott PA, Pfaff E, Tica J, Wang Q, Massimi L, Witt H, Bender S, Pleier S, Cin H, Hawkins C, Beck C,<br />
von Deimling A, Hans V, Brors B, Eils R, Scheurlen W, Blake J, Benes V, Kulozik AE, Witt O, Martin D,<br />
Zhang C, Porat R, Merino DM, Wasserman J, Jabado N, Fontebasso A, Bullinger L, Rücker FG, Döhner<br />
K, Döhner H, Koster J, Molenaar JJ, Versteeg R, Kool M, Tabori U, Malkin D, Korshunov A, Taylor<br />
MD, Lichter P, Pfister SM, Korbel JO. (2012): Genome Sequencing of Pediatric Medulloblastoma<br />
Links Catastrophic DNA Rearrangements with TP53 Mutations. Cell, doi: 10.1016/j.cell.2011.12.013<br />
Erst seit Kurzem ist bekannt, dass Krebs durch explosionsartig in einem einzigen Schritt auftretende<br />
chromosomale Umlagerungen entstehen kann. Was allerdings hinter dem Chromothripsis genannten<br />
Phänomen steckt, lag bislang im Dunkeln. Korbel und Kollegen haben bei der Sequenzanalyse<br />
des Genoms von Patienten mit Sonic Hedgehog-Medulloblastom nun erstmals zeigen können, dass<br />
eine Mutation im Tumorsuppressorprotein p53 stark mit der Chromothripsis korreliert. In dieser<br />
Tumorart tritt der neue Krebsmechanismus bei 30% der Patienten auf. Nun soll untersucht werden,<br />
ob und in welchen Tumorarten der neuentdeckte Mechanismus eine Rolle spielt.<br />
LABORWELT:<br />
Was sind Ihre wichtigsten Ergebnisse<br />
Korbel:<br />
Vor rund einem Jahr beschrieb die Arbeitsgruppe<br />
um Peter Campbell im britischen<br />
Cambridge einen neuartigen Mechanismus<br />
der Krebsentstehung namens „Chromothripsis“.<br />
Dabei kommt es zu einer geradezu explosionsartigen<br />
Umlagerung großer Teile des Erbguts<br />
einer zuvor gesunden Zelle – Ergebnis ist die<br />
Entwicklung von Krebs. Nach Erscheinen der<br />
Studie von Campbell blieb jedoch unklar, welche<br />
zellulären Mechanismen Chromothripsis bewirken,<br />
oder ob es genetische Prädispositionen<br />
für sie gibt. Unsere Forschung hat in diesem<br />
Zusammenhang zu sehr interessanten, neuen<br />
Erkenntnissen geführt. Bei kindlichen Hirntumoren<br />
fanden wir, dass eine Mutation im Gen<br />
für das Protein p53 Chromothripsis auslöst. p53<br />
wird auch „Wächter des Genoms“ genannt,<br />
denn das Protein sorgt normalerweise dafür,<br />
dass gesunde Zellen bei Erbgutschäden die<br />
Zellteilung einstellen – Krebs kann nicht mehr<br />
entstehen. Wir vermuten, dass p53-Mutationen<br />
diesen Schutzmechanismus ausschalten, so<br />
dass es zur Chromothripsis und Krebsentstehung<br />
kommen kann. Allerdings ist auch denkbar,<br />
dass p53-Mutationen die explosionsartigen<br />
Umlagerungen direkt auslösen.<br />
LABORWELT:<br />
Was war der Ausgangspunkt Ihrer Forschung<br />
Korbel:<br />
Vor einigen Jahren stellte ein Kollege von uns –<br />
Andreas Kulozik, leitender Arzt an der Heidelberger<br />
Universitäts-Kinderklinik – bei einem kleinen<br />
Mädchen, dass an einem Sonic Hedgehog- (SHH)<br />
Medullo blastom erkrankt war, eine erbliche<br />
Veränderung im p53-Gen fest. Im Rahmen des<br />
Internationalen Krebsgenom-Konsortiums<br />
(ICGC, www.icgc.org) ist meine Arbeitsgruppe an<br />
der molekularen Aufklärung der Entstehung von<br />
Medulloblastomen beteiligt. Als wir, gemeinsam<br />
mit Wissenschaftlern um Peter Lichter und Stefan<br />
Pfister vom Deutschen Krebsforschungszentrum,<br />
begannen, am EMBL die weltweit ersten<br />
vollständigen Genomsequenzen von kindlichen<br />
Tumoren zu erzeugen, erschien uns der Fall des<br />
Heidelberger Mädchens als ein vielversprechender<br />
Ansatzpunkt. Bei der Analyse ihres Genoms<br />
trauten wir zuerst unseren Augen nicht: Wir<br />
sahen Muster im Genom, die auf explosionsartige<br />
Umlagerungen hindeuteten, wie sie<br />
vorher noch nicht in Hirntumoren beschrieben<br />
worden waren. Schnell wurde uns klar, dass wir<br />
neue Einblicke in die Krebsentstehung durch<br />
Chromothripsis gewonnen hatten.<br />
LABORWELT:<br />
Wie sind Sie experimentell vorgegangen<br />
Korbel:<br />
Im Anschluss an die Analyse des Erbguts des<br />
Mädchens unterzogen wir Tumorproben von<br />
98 Medulloblastomen einer Erbgutanalyse. In<br />
13 der 98 Proben entdeckten wir das für Chromothripsis<br />
typische Chromosomen-Chaos. In<br />
allen 13 Tumoren fand sich ein verändertes p53<br />
Gen, während wir bei Patienten mit normalem<br />
p53 nicht explosionsartige Veränderungen<br />
festgestellt haben.<br />
LABORWELT:<br />
Wo liegen die biologische Relevanz Ihrer<br />
Ergebnisse oder mögliche Anwendungen<br />
Korbel:<br />
Wir prüfen derzeit, ob wir künftig bei allen<br />
Patienten mit SHH-Medulloblastomen nach<br />
erblichen p53-Mutationen suchen sollen. Liegt<br />
Dr. Jan Korbel<br />
Dr. Jan Korbel ist als Gruppenleiter innerhalb<br />
der Abteilung Genome Biology des<br />
EMBL in Heidelberg tätig. Der Spezialist für<br />
genomische Strukturvariationen promovierte<br />
2005 – nach Studium der Biotechnologie<br />
an der TU Berlin – an der HU Berlin<br />
und am EMBL in Heidelberg. Als Post-Doc<br />
forschte Korbel in Dr. Mark Gersteins Labor<br />
an der Yale University in New Haven. 2008<br />
kehrte er zurück ans EMBL. Der Genomicsund<br />
Bioinformatikexperte arbeitet in internationalen<br />
Großprojekten mit, wie dem<br />
1000 Genomes-Projekt oder dem Internationalen<br />
Cancer Genome Consortium.<br />
eine solche Mutation vor, so haben die Betroffenen<br />
ein erheblich erhöhtes Krebsrisiko – ohne<br />
davon zu wissen. Entdecken wir einen erblichen<br />
p53-Defekt, so können wir engmaschige<br />
Früherkennungsuntersuchungen empfehlen,<br />
um mögliche Tumoren in einem besser behandelbaren<br />
Stadium zu entdecken und so die<br />
Heilungschancen signifikant zu verbessern.<br />
Ein weiterer Grund spricht dafür, bei Patienten<br />
mit SHH-Medulloblastomen nach erblichen<br />
p53-Mutationen zu fahnden: Liegt eine solche<br />
Mutation vor, so ist besondere Vorsicht bei der<br />
Wahl der Behandlungsmethoden geboten, denn<br />
Strahlentherapie und auch einige Zyto statika<br />
wirken, indem sie das Erbgut schädigen. Bei<br />
Menschen mit vererbtem p53-Defekt ist die<br />
DNA-Reparatur jedoch in allen Körperzellen<br />
beeinträchtigt, so dass therapiebedingte DNA-<br />
Schädigungen leicht zu weiteren Tumoren<br />
führen könnten.<br />
LABORWELT:<br />
Wie gehen Ihre Arbeiten jetzt weiter<br />
Korbel:<br />
Wir werden auch in anderen Krebsarten nach<br />
Merkmalen von Chromothripsis suchen, mit<br />
dem Ziel, weitere genetische Faktoren zu erkennen,<br />
die bei diesem Phänomen eine Rolle spielen.<br />
Chromothripsis führt zu ausgesprochen aggressiven<br />
Tumoren, deshalb halten wir es für sehr<br />
wichtig, den molekularen Mechanismus vollständig<br />
aufzuklären. Wir erhoffen, dadurch den<br />
Weg für bessere diagnostische Verfahren oder<br />
neue Krebstherapieformen frei zu machen.<br />
26 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
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III<br />
Zellbiologie Zellkultur<br />
Zellbiologie<br />
Schnelle Kulturtechnik<br />
zur Detektion mikrobieller<br />
Kontaminationen<br />
Bret Barnhizer, CEO, NanoLogix Inc., Hubbard, USA<br />
Zellbasierte Verfahren haben einen wahren<br />
Aufschwung sowohl beim Drug Screening,<br />
der Toxizitätstestung von Chemikalien als<br />
auch dem Nachweis von Keimen erlebt.<br />
Zwar ist die Aussagekraft der zellbiologischen<br />
in vitro-Tests naturgemäß begrenzt.<br />
Doch durch zunehmende Datenintegration<br />
und Simulation soll langfristig die Modellierung<br />
auch komplexer Vorgänge möglich<br />
werden.<br />
Von Tierersatz bis Zellkultivierung<br />
Die Fortschritte die die in vitro-Assays<br />
bei der Substanztestung gemacht haben,<br />
beleuchten Jürgen Hescheler, Thomas<br />
Hartung und Dirk Dressler in einem Expertenpanel<br />
„Toxizitätstestung“ (vgl. Seite 35).<br />
Die Fortschritte bei einfachen Endpunkten<br />
wie der akuten Toxizität dürfen indes nicht<br />
darüber hinwegtäuschen, dass die Zahl<br />
der Tierversuche in den nächsten Jahre<br />
weiter drastisch steigen wird, weil sich<br />
systemische und Langzeitwirkungen bis<br />
auf absehbare Zeit eben nur in Modelltieren<br />
untersuchen lassen.<br />
Über deutliche Fortschritte im Bereich<br />
der Qualitätssicherung können sich indes<br />
biopharmazeutische Firmen und Lohnhersteller<br />
freuen. Die US-Firma Nanologix<br />
(vgl. S. 28) hat nämlich ein Verfahren zum<br />
Kulturnachweis von mikrobiellen Kontaminanten<br />
entwickelt, das die Kultivierungszeit<br />
dank einer Nanoporenmembran um<br />
Faktor 1o verkürzt. Die Technik, die sich<br />
im FDA-Zulassungsverfahren befindet,<br />
könnte auch den Milliardenmarkt der klinischen<br />
Diagnostik aufmischen. Auf einen<br />
verbesserten Nachweis von Erregern zielt<br />
auch ein neues durchflusszytometrisches<br />
Verfahren ab (vgl. S. 30), das derzeit von<br />
einem Forschungsverbund aus Münster<br />
entwickelt wird.<br />
Wie Impfstoffentwickler mit neuen<br />
intranasalen Impfstoffverstärkern die<br />
gewünschte Immun antwort künftig<br />
auswählen können, haben Forscher des<br />
Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung<br />
herausgefunden (vgl. S. 32).<br />
Im Sommer 2001 hat die US-Gesundheitsbehörde FDA ihren strategischen Plan „Advancement<br />
of Regulatory Science“veröffentlicht 1 . In diesem unterstreicht die Agentur vier Gebiete, in denen<br />
das Risiko für mikrobielle Kontamination in diversen produzierenden Industrien reduziert<br />
werden soll; eines davon ist die Reduktion des Risikos mikrobieller Verunreinigungen durch<br />
die Entwicklung „sensitiver, schneller Hochdurchsatz-Verfahren, um mikrobielle Kontaminationen<br />
zu detektieren, identifizieren und beziffern sowie ihren Nutzen bei der Einschätzung<br />
der Produktsterilität zu validieren“. Für die pharmazeutische Industrie heißt dies, die für die<br />
mikrobielle Qualitätssicherung (QA) und -Kontrolle (QC) benötigte Zeit zu verkürzen – sowohl<br />
bei der Reinraum-Validierung, der in-Prozess-Kontrolle als auch bei der finalen sterilen<br />
Produktformulierung. Eine neue von NanoLogix entwickelte Technologie bietet eine Lösung:<br />
Durch eine signifikante Verbesserung der zuverlässigen Kulturmethoden in Petrischalen wird<br />
das mikrobielle Wachstum schnell erkannt. Die neue, auf Nanoporen-Membranen basierende<br />
Methode verringert die Zeit, um mikrobielle Kontaminationen zu erkennen auf allen Stufen des<br />
pharmazeutischen Produktionsprozesses. Durch die NanoLogix-Technologie verkürzt sich die<br />
Zeit des Kulturnachweises zum Beispiel von Listeria spp und E. coli von 18 bis 24 Stunden auf nur<br />
5 Stunden. Salmonellenwachstum kann sogar schon nach vier Stunden beobachtet werden.<br />
Abb. 1: Entfernen einer BNP-Membran vom Nähragar<br />
Die Verifikation steriler Bedingungen während<br />
des Produktsprozesses – ob durch aseptisches<br />
Prozessing oder Sterilisation – ist oft nach wichtigen<br />
Schritten erforderlich, wie dem Ansetzen<br />
von Lösungen, dem Bulk Transfer, Abfüllen<br />
der Ampullen etc. Wenn multiple Haltezeiten<br />
für die in-Prozess mikrobiologische Testung<br />
benötigt werden, kann dies den Produktionsprozess<br />
um Tage verlängern, was den effizienten<br />
Einsatz von Ausrüstung und Personal<br />
erschwert. Zwar können für die in-Prozess mikrobiologische<br />
Testung alternative Verfahren<br />
wie PCR und Durchflusszytometrie eingesetzt<br />
werden, die schneller sind als die Kultivierung.<br />
Aber sie sind nicht imstande, auch nur annähernd<br />
brauch- und belastbare Ergebnisse zu<br />
liefern. Dazu kommt, dass allein PCR-Tests eine<br />
18-Stunden-Übernacht-Anreicherung benöti-<br />
28 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Zellkultur Zellbiologie<br />
gen können. Das mag kurz erscheinen. Doch<br />
haben solche in-Prozess-Haltezeiten ernste<br />
Folgen für die pharmazeutische Industrie. Denn<br />
während des Produktionsprozesses werden<br />
solche Tests zu verschiedensten Zeiten auf der<br />
Stufe des Processings durchgeführt, und die<br />
Haltezeiten summieren sich und verlängern die<br />
Produktionszeit bis zum Endprodukt. Firmen<br />
können durch verlängerte Produktionszeiten<br />
an Wettbewerbsfähigkeit einbüßen, da eine<br />
kosteneffiziente Logistikkette essentiell für<br />
die Industrie ist.<br />
Mangel an Alternativen zur Kultur<br />
Da es nicht möglich ist, das Wachstum der<br />
Mikroorganismen zu beschleunigen, suchen<br />
pharmazeutische Unternehmen nach Verfahren,<br />
die schneller Ergebnisse liefern als die<br />
traditionellen mikrobiologischen Kulturmethoden.<br />
Die Poymerase-Kettenreaktion (PCR)<br />
liefert Ergebnisse binnen Minuten, allerdings<br />
erst nachdem die Assays einen 18-stündigen<br />
Anreicherungsprozess über Nacht durchlaufen<br />
haben. Dazu kommmt, dass ein PCR-Screening<br />
nur die Anwesenheit von DNA detektieren<br />
kann, dagegen nicht verwertbare Informationen<br />
über bakterielles Wachstum. Zudem<br />
sind nach der PCR in der Regel weitere PCRoder<br />
Kultur-basierte Verifikationsschritte<br />
notwendig, um festzustellen, ob den Prozess<br />
gefährdende Mikroorganismen präsent sind.<br />
Der Hauptnachteil der Durchflusszytometrie<br />
ist ihre geringe Durchsatzrate, was die effiziente<br />
Handhabung einer großen Probenanzahl<br />
ausschließt.<br />
Eine einfache schnellere Methode<br />
zur Kultivierung<br />
NanoLogix‘ fortgeschrittene Kulturtechnologie<br />
erfüllt die Forderung der FDA nach einem<br />
sensitiven Schnelltest. Die Methode liefert<br />
belastbare Kultivierungsdaten vier- bis 24mal<br />
schneller als die konventionelle Kultivierung,<br />
abhängig von Bakterium und genutztem<br />
Produkt. Die Technologie ermöglicht es QA/QS-<br />
Technikern, das Wachstum von Mikrokolonien<br />
wesentlich schneller zu sehen und diese zu<br />
identifizieren als mit traditioneller Petrischalen-Kultur,<br />
PCR oder Durchflusszytometrie.<br />
Obgleich das Verfahren derzeit nur in zwei<br />
Standard-Petrischalengrößen zur Verfügung<br />
steht, ist es grundsätzlich möglich, die Technologie<br />
in Well plate-Arrays für das Hochdurchsatz-Screening<br />
zu überführen.<br />
Das Funktionsprinzip<br />
Herzstück der BioNanoPore (BNP)-Methode<br />
von NanoLogix ist eine permeable Polymermembran,<br />
die sich zwischen zwei Agarschichten<br />
befindet. Die extrem dünne, durchsichtige<br />
Abb. 3: Prinzip der BFN-Technologie von NanoLogix<br />
Membran gestattet es den Mikroorganismen,<br />
für einige Stunden zu wachsen. Dann, nach<br />
einem Bruchteil der herkömmlichen Inkubationszeit,<br />
wird die Membran auf eine Färbeplatte<br />
transferiert. Kapillarkräfte transportieren das<br />
Färbemittel – eine HRP-konjugierte Antikörper-<br />
Lösung – durch die Membran und bringen es in<br />
Kontakt mit den Mikrokolonien. Nach 10 bis 15<br />
Minuten Färbezeit können die Mikrokolonien<br />
detektiert und identifiziert werden.<br />
Bei der Testung eines parenteralen Produktes,<br />
ergab sich nach Filtration der „sterilen“ Lösung<br />
mit der BioNanoFilter (BFN)-Technologie<br />
eine Nachweissensitivität von einer Zelle pro<br />
Liter bei einer Nachweiszeit von vier bis sechs<br />
Stunden.<br />
Damit hat die NanoLogix-Technologie das<br />
Potential, Produktionszeiten durch Verkürzung<br />
von in-Prozess-Haltezeiten zu reduzieren.<br />
Das Verfahren lässt sich auf jeder Stufe des<br />
Produktionsprozesses kosteneffizient, verlässlich<br />
und mit angemessenem Durchsatz<br />
implementieren. Diverse Wissenschaftler,<br />
betrachten die Nanologix-Technology bereits<br />
als ‘neuen Goldstandard’ im Gebiet der<br />
Schnelldiagnostik 2 .<br />
Literatur<br />
[1] Pharma QBD. FDA Releases Strategic Plan for Advancement<br />
of Regulatory Science, August 18, 2011. http://<br />
www.pharmaqbd.com/fda_strategic_plan_regulatory_science/<br />
[2] Jonathan Faro, Allan Katz, Karen Bishop, Gerald Riddle,<br />
Sebastian Faro. “Rapid Diagnostic Test for Identifying<br />
Group B Streptococcus. American Journal of Perinatology.<br />
Thieme eJournals, August, 2011.<br />
Korrespondenzadresse<br />
Bret Barnhizer, CEO<br />
NanoLogix, Inc.<br />
843 North Main Street<br />
Hubbard, OH 44425 USA<br />
Tel.: +1-(0)330-534-0800<br />
Fax: +1-330-534-0826<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 29
Zellbiologie Durchflusszytometrie<br />
READYFlow – Lange<br />
Leuchtdauern für schnelle<br />
Flow Cytometry-Analysen<br />
Dr. Peter Klauth, Hochschule Niederrhein, Krefeld; Dr. Wolfgang Göhde, Quantum Analysis<br />
GmbH, Münster; Martin Gründkemeyer, Technologieförderung Münster GmbH,<br />
Münster (Westfalen)<br />
Durchflusszytometer (Flow Cytometer, FCM) erlauben einen schnellen Nachweis und die Analyse<br />
von biologischen Zellen und anderen mikroskopischen und submikroskopischen Partikeln, die mit<br />
hoher Geschwindigkeit an einem Lichtstrahl vorbeifließen. Das 1968 entwickelte Messprinzip der<br />
fluoreszenzbasierten Durchflusszytometrie wurde anfangs für die Untersuchung eukaryotischer<br />
Zellen und ihrer Zellteilung verwendet. Durch international immer weiter entwickelte biochemische<br />
Verfahren und eine zunehmend einfachere Handhabung wird das Messverfahren inzwischen auf<br />
zahlreichen Gebieten eingesetzt: Medizinische und zellbiologische Grundlagenforschung, Routinediagnostik<br />
in Kliniken, Nanopartikel-Analysen und mikrobiologische Prozessüberwachung in der<br />
Lebensmittelproduktion sind nur einige Beispiele hierfür. Durch einen neuen Ansatz auf der Basis von<br />
biochemischen Sonden mit langer Leuchtdauer sollen nun die Präzision und Anwendungsmöglichkeiten<br />
im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsprojekts deutlich erweitert werden.<br />
Abb. 2: Differenziertes Anfärben von Zellen.<br />
Autofluoreszenz (weiße Sterne) kann<br />
die Fluoreszenz der spezifischen Farbstoffsonden<br />
(mit grünen und orangen<br />
Sternen) störend überlagern.<br />
Nach Messzeiten von wenigen Sekunden bei<br />
bis über 10.000 Zellen/Sek. können so Proben<br />
mit hoher statistischer Sicherheit analysiert<br />
werden.<br />
Präziser Nachweis von Bakterien –<br />
neue Farbstoffklassen für FCM<br />
Die Durchflusszytometrie ist ein Verfahren<br />
zur schnellen automatisierten Analyse der<br />
optischen Eigenschaften einzelner Partikel<br />
oder Zellen. Eine Probensuspension strömt<br />
durch eine hochpräzise optische Küvette<br />
(vgl. Abb. 1). Dabei wird der Probenfluss so<br />
fokussiert, dass die Zellen einzeln und nacheinander<br />
den Messbereich passieren. Zuvor<br />
in einem Präparationsschritt biochemisch<br />
an Zelloberflächen gekoppelte spezifische<br />
Leuchtsonden (Marker) werden durch einen<br />
Lichtstrahl angeregt. Mit Fluoreszenzfarbstoffen<br />
gekoppelte monoklonale Antikörper<br />
sind in der FCM weit verbreitete Sonden, mit<br />
denen Zellen anhand ihrer spezifischen Zell-<br />
Oberflächen-Antigene erkannt und voneinander<br />
unterschieden werden können.<br />
Für jede Zelle werden Streu- und Fluoreszenzsignale<br />
von optischen Detektoren<br />
aufgenommen und mit schnellen Computerprogrammen<br />
ausgewertet und gezählt.<br />
In den gesammelten Daten lassen sich unterschiedliche<br />
Gruppen von Zellen voneinander<br />
differenzieren und ihre Zellzahl bestimmen.<br />
In der Durchflusszytometrie können gleichzeitig<br />
mehrere Fluoreszenzfarbstoffe mit unterschiedlichen<br />
Emissionsspektren analysiert<br />
werden. Dafür werden in mehreren optischen<br />
Spektralbereichen (z.B. im Grünen und Orangen)<br />
Fluoreszenzintensitäten analysiert. Mehrere<br />
Zellgruppen lassen sich dadurch in einer Messung<br />
voneinander unterscheiden (vgl. Abb. 2).<br />
Bei dem Nachweis von Bakterien sollen<br />
möglichst kleine Zellzahlen schnell und sicher<br />
nachgewiesen werden. Häufig wird aber ein<br />
präziser und schneller Nachweis kleiner Zellzahlen<br />
gerade bei Mikroorganismen dadurch<br />
erschwert, dass die Lichtsignale der Fluoreszenzsonden<br />
durch eine natürliche Fluoreszenz<br />
(Autofluoreszenz) anderer Substanzen in<br />
der Probe oder in der Zelle störend überlagert<br />
werden. Eine sichere Interpretation der Messergebnisse<br />
ist dann oft mit hohem Aufwand<br />
verbunden oder sogar unmöglich.<br />
Dieses Problem soll durch einen neuen<br />
Ansatz auf Basis von für die FCM neuen<br />
Farbstoffklassen und auf Grundlage zeitlicher<br />
Auflösung der Lichtsignale gelöst werden.<br />
Eine neuartige Kombination von lang leuchtenden<br />
Farbstoffsonden und angepasster<br />
Messgeometrie soll „saubere“ Messdaten<br />
liefern und damit das Einsatzspektrum von<br />
Flow Cytometern signifikant erweitern.<br />
Zeitaufgelöstes Messen<br />
für präzise Analysen<br />
Abb. 1: Messprinzip der Durchflusszytometrie. Lichtsignale (Streulicht/side/forwardscatter<br />
und Fluoreszenz/fluorescence) einzelner Zellen in einer Probensuspension werden<br />
durch eine Lichtquelle (Laser oder LED) angeregt, einzeln registriert und analysiert.<br />
Die spektrale Differenzierung von verschiedenen<br />
Farbstoffen in der Durchflusszytrometrie<br />
ist Stand der Technik. Jedoch ist<br />
dieses Verfahren wegen störender spektraler<br />
30 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Durchflusszytometrie Zellbiologie<br />
Überlappungen limitiert: Erstens durch die<br />
Autofluoreszenz und zweitens wegen mehrerer<br />
Zielfarbstoffe untereinander, so dass<br />
eine präzise Unterscheidung in bestimmten<br />
Fällen nicht möglich ist. Um dieses Problem<br />
zu umgehen, sollen anstelle der üblichen<br />
Fluoreszenzsonden nun Phosphoreszenzmarker<br />
mit sogenannten Selten-Erd-Farbstoffen<br />
eingesetzt werden. Durch diese Leuchtstoffe<br />
lässt sich eine Emissionsstrahlung erzeugen,<br />
deren Dauer im Bereich von Millisekunden die<br />
der Autofluoreszenz um typischerweise mehr<br />
als das 1.000-fache übersteigt.<br />
Das Prinzip ist unter anderem auch bekannt<br />
bei der Phosphoreszenz von Ziffernblättern<br />
in Armbanduhren – diese leuchten<br />
noch länger nach. Das gesamte Leuchtsignal<br />
jedes Partikels (Total Luminescence, vgl. Abb.<br />
3) wird erst nach Abklingen der störenden<br />
Autofluoreszenz (Autofluorescence) aufgenommen,<br />
was eine Analyse ohne störende<br />
Hintergrundemissionen ermöglicht. Durch<br />
die Erweiterung der Messergebnisse um<br />
die Dimension Zeit ist bei diesem Vorgehen<br />
eine deutlich höhere Sensitivität gegenüber<br />
bestehenden Verfahren und eine einfachere<br />
Auswertung der eigentlich komplexen Datenausgabe<br />
eines Durchflusszytometers zu<br />
erwarten.<br />
Eine weitergehende Analyse basiert auf der<br />
für verschiedene Farbstoffe charakteristischen<br />
Abklingkurve. Wenn sich die überlagernden<br />
Phosphoreszenz-Abklingzeiten der Farbstoffe<br />
(Abb. 3 Phosphorescence 1 & 2) ausreichend<br />
voneinander unterscheiden, können ihre<br />
Daten aus einer zeitaufgelösten Analyse der<br />
Abklingkurve (z.B. durch multi-exponentiellen<br />
Fit) voneinander separiert werden.<br />
Bisher können Phosphoreszenzmarker in<br />
der Flow Cytometry nicht genutzt werden, da<br />
die lange Abklingzeit zum üblichen Messprinzip<br />
konträr ist. Lichtsignale von Zellen lassen<br />
sich üblicherweise nur in einem sehr kurzen<br />
Messfenster von wenigen Mikrosekunden<br />
detektieren, in dem sie sich im Fokus des<br />
Lasers befinden. Das „Nachleuchten“ über<br />
Millisekunden kann in bestehenden Geräten<br />
systembedingt nicht aufgenommen werden.<br />
Die Zellen oder Partikel verweilen dafür<br />
zu kurz im Messbereich. Es gibt wohl einige<br />
Ansätze für zeitaufgelöstes Messen, zum<br />
Beispiel durch zwei hintereinander geschaltete<br />
Messfenster 1 . Dieser Ansatz ist jedoch<br />
auch zeitlich sehr eingeschränkt und bisher<br />
nicht zur praktischen Anwendung gekommen.<br />
Ein Durchflusszytometer, das Abklingkurven<br />
solch lang leuchtender Phosphoreszenzmarker<br />
analysieren kann, benötigt eine<br />
spezielle, der Anregungsstelle nachgelagerte<br />
Messstrecke, die derzeit in keinem am Markt<br />
befindlichen Gerät vorhanden ist. Die Idee ist<br />
nun, durch eine optische Nachführung mit<br />
einem Kippspiegel das Phosphoreszenzsignal<br />
über einen längeren Zeitraum zu sammeln<br />
und zu detektieren (vgl. Abb. 4).<br />
Dabei soll der Fokus durch optische Zeilensensoren<br />
und einen Kippspiegel, ähnlich<br />
denen in DLP-Projektoren, nachgeführt<br />
werden. Durch die deutlich verlängerte Messstrecke<br />
wird eine Zelle während der gesamten<br />
Abklingzeit verfolgt und eine Abklingkurve<br />
aufgenommen.<br />
Forschungsprojekt READYFlow<br />
Quantum Analysis entwickelt und produziert<br />
portable Durchflusszytomenter. Das iNano Institut<br />
der Hochschule Niederrhein hat sich auf<br />
die Verwendung von Selten-Erd-Farbstoffen<br />
in umweltanalytischen Diagnoseverfahren<br />
spezialisiert. Das iNano hat ein für die Anwendung<br />
geeignetes Messverfahren zum Patent<br />
angemeldet und stellt sein diesbezügliches<br />
Know-how zur Verfügung. Gemeinsam mit<br />
der Fachhochschule Münster, welche seit<br />
vielen Jahren Phosphoreszenzfarbstoffe und<br />
-marker erforscht, wurden bereits zahlreiche<br />
Leuchtstoffsonden entwickelt.<br />
READYFlow soll als innovatives Verfahren<br />
der Durchlusszytometrie im Rahmen einer<br />
vom BMWi geförderten Zusammenarbeit<br />
innerhalb der nächsten zwei Jahre erforscht<br />
Abb. 4: READYFlow-Kippspiegel-Prinzip:<br />
Einzelne Zellen bzw. ihr Lichtsignal<br />
werden nach Durchlaufen des Anregungslasers<br />
mithilfe einer Kombination<br />
aus optischem Zeilendetektor<br />
und Kippspiegel während der<br />
Leuchtdauer verfolgt.<br />
und zur Marktreife entwickelt werden. Dabei<br />
werden sowohl eine neue Gerätekomponente<br />
als auch passende Selten-Erd-Farbstoffe<br />
entwickelt. Neue Farbstoffsonden werden<br />
für die neue Gerätekomponente und Schlüsselanwendungen<br />
„maßgeschneidert“. Das<br />
neue Produkt soll präzise, mobil, einfach zu<br />
bedienen und preiswert sein, um eine tiefe<br />
Durchdringung im Diagnostik- und Analysemarkt<br />
zu ermöglichen. Einsatzorte wären<br />
zum Beispiel der schnelle Nachweis von MRSA<br />
(Multi-resistenter Staphylococcus aureus)<br />
während der Patientenaufnahme im Krankenhaus<br />
oder die Analyse von Blutproben in<br />
einer Facharztpraxis. Derzeitige Durchflusszytometer<br />
sind in beiden Fällen zu teuer und arbeitsintensiv<br />
in der Dateninterpretation. Die<br />
2011 aufgetretene Welle an EHEC-Infektionen<br />
(Enterohämorrhagische Escherichia Coli) zeigt<br />
die Notwendigkeit mobiler, preiswerter und<br />
vor allem schneller Testsysteme.<br />
Korrespondenzadresse<br />
Martin Gründkemeyer<br />
Netzwerk Oberfläche NRW<br />
Technologieförderung Münster GmbH<br />
Mendelstraße 11<br />
D-48149 Münster<br />
Tel.: +49-(0)251 980–1125<br />
Fax: +49-(0)251 980-31125<br />
gruendkemeyer@technologiefoerderungmuenster.de<br />
www.technologiefoerderung-muenster.de<br />
Abb. 3: Prinzip der innovativen FCM-Phosphoreszenz-Analyse (schematisch, unterschiedliche<br />
vertikale Skalierungen). Die Lumineszenz-Abklingkurve wird erst nach Abklingen des<br />
Autofluoreszenzsignals (außerhalb des schattierten Bereichs) aufgenommen.<br />
www.laborwelt.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 31
Zellbiologie Paperwelt<br />
Adjuvantien-Toolbox für<br />
die gezielte Steuerung<br />
der Immunantwort<br />
Zygmunt BM, Weissmann SF, Guzman CA. (2012): NKT Cell Stimulation with alpha-Galactosylceramide<br />
Results in a Block of T H<br />
17 Differentiation after Intranasal Immunization in Mice,<br />
PLoS One. 2012;7(1):e30382<br />
Die intranasale Verabreichung von modernen Subunit-Impfstoffen gegen Infektionserreger<br />
gilt als sehr aussichtsreich, stellt die Forscher aber auch vor einige Schwierigkeiten.<br />
So müssen die Impfstoffe aufgrund der geringen Aktivierung von Immunantworten mit<br />
einem Immunstoffverstärker versetzt werden. Ein weiteres Problem war bislang, dass<br />
die intranasale Impfung stets von der Aktivierung einer sogenannten T H<br />
17-vermittelten<br />
Immunantwort begleitet wurde. Die dadurch ausgelöste, teils überschießende Immunantwort<br />
kann bei vielen Impfungen eher hinderlich als erwünscht sein. Die Gruppe um<br />
Carlos Guzmán vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig hat jetzt<br />
den Mechanismus aufgeklärt, mit dem ein spezieller Impfstoffverstärker, das pegylierte<br />
a-Galactosyl-Ceramid (a-GalCerPEG) die T H<br />
17-vermittelte Immunantwort selektiv abschaltet.<br />
a-GalCerPEG hemmt die Induktion von T H<br />
17-Zellen , indem es NKT-Zellen dazu bringt,<br />
die Botenstoffe Interferon-g (IFNg) und vor allem Interleukin-4 (IL-4) auszuschütten. Die<br />
Kombination a-GalCerPEG mit anderen Adjuvantien bei der intranasalen Impfung bietet<br />
somit erstmals die Möglichkeit zu steuern, welche Art von Immunantwort bei der Impfung<br />
gefördert wird – die T H<br />
2-vermittelte Antikörperbildung gegen extrazelluläre Erreger oder<br />
die T H<br />
1-vermittelte Abwehr durch Killerzellen bei intrazellulären Erregern. Das gezielte<br />
Zu- oder Abschalten der T H<br />
17-unterstützten Immunantwort würde Impfstoffherstellern<br />
die Gelegenheit bieten, Impfstoffe mittels einer Adjuvantien-Toolbox für die jeweilige<br />
klinische Anwendung maßzuschneidern.<br />
Carlos A. Guzmán<br />
Carlos A. Guzmán leitet die Abteilung<br />
„Vakzinologie und Angewandte Mikrobiologie“<br />
am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung<br />
(HZI) in Braunschweig. Der<br />
Mediziner ist APL-Professor an der Medizinischen<br />
Hochschule Hannover und Gast-<br />
Dozent für die Promovierenden der Fachrichtung<br />
Biotechnologie an der Universität<br />
von Catania (Italien). Nach dem Studium<br />
der Medizin an der Nationalen Universität<br />
Rosario (1981) und Facharztabschluss in<br />
medizinischer Bakteriologie (1986) in Argentinien<br />
sowie Promotion zum MD und<br />
PhD in Italien übernahm Guzmán 1994 die<br />
Leitung der Forschungsgruppe Vakzinologie<br />
an der Gesellschaft für Biotechnogische<br />
Forschung (GBF) in Braunschweig.<br />
2005 wurde er zum Leiter der neuen Abteilung<br />
Vakzinologie am HZI.<br />
LABORWELT:<br />
Was sind ihre wichtigsten Ergebnisse<br />
Guzmán:<br />
Wir haben einen über die Nase verabreichbaren<br />
Impfstoffverstärker entwickelt, der eine<br />
maßgeschneiderte Immunisierung gegen<br />
bestimmte Erreger ermöglicht. Grundsätzlich<br />
wird bei intranasalen Impfstoffen eine<br />
sogenannte T H<br />
17-unterstützte Immunreaktion<br />
hervorgerufen. Dies ist meistens<br />
erwünscht, da sie die Immunreaktion gegen<br />
Bakterien fördert, kann aber auch zu unerwünschten<br />
Entzündungsreaktionen führen.<br />
Deshalb ist es wichtig die Stimulierung der<br />
T H<br />
17-Zellen regulieren zu können, damit es<br />
keine unerwünschten Nebenwirkungen gibt.<br />
Uns ist es nun gelungen den Mechanismus<br />
aufzuzeigen, mit dem a-GalCerPEG die T H<br />
17-<br />
vermittelte Immunantwort ausschaltet und<br />
zugleich in Impfstoffformulierungen die<br />
Produktion von Antikörpern und Killerzellen<br />
stimuliert. Setzt man a-GalCerPEG darüber<br />
hinaus zusammen mit anderen Adjuvantien<br />
ein, die die von T H<br />
2-Zellen unterstützte Bildung<br />
von Antikörpern gegen extrazelluläre<br />
Erreger oder die von T H<br />
1-Zellen vermittelte<br />
Aktivierung von Killer- Zellen (CTL) gegen<br />
intrazelluläre Pathogene fördern, lässt sich<br />
die Immunantwort maßschneidern, indem<br />
die T H<br />
17-Komponente zu- oder abgeschaltet<br />
wird. Auf diese Weise erhalten wir eine Toolbox,<br />
die den Einsatz des optimal für einen<br />
klinischen Zweck geeigneten Impfstoffverstärkers<br />
ermöglicht.<br />
LABORWELT:<br />
Wo liegt die biologische und medizinische<br />
Relevanz Ihrer Arbeit<br />
Guzmán:<br />
Die meisten Adjuvantien basieren im Moment<br />
auf Aluminiumsalzen, und es gibt zur Zeit<br />
nicht viele Alternativen – schon gar keine, die<br />
eine gezielte Steuerung der Immunantwort<br />
gestatten. Dazu kommt: Fast alle Adjuvantien,<br />
die wir haben, sind auf Parenteralimpfstoffe<br />
ausgelegt, welche man spritzen muss. Das ist<br />
in bestimmten Ländern, wo Kreuzkontaminationen<br />
auftreten können, ein Problem. Bislang<br />
gibt es kein zugelassenes Adjuvans, das gut<br />
über die Schleimhaut funktioniert und so für<br />
viele Zwecke nützlich wäre. Ein Adjuvans allein<br />
nutzt natürlich nichts. Wir testen und validieren<br />
daher das a-GalCerPEG mit Partnern<br />
in verschiedenen Impfstoffformulierungen,<br />
vor allem gegen virale Humanpathogene.<br />
Zudem haben wir in präklinischen Versuchen<br />
gesehen, dass a-GalCerPEG helfen kann,<br />
die nachlassende Immunantwort im Alter<br />
(Immuns eneszenz), zu verbessern. Das ist klinisch<br />
bedeutend, da Impfungen nur bei einem<br />
kleinen Teil der älteren Bevölkerung wirken,<br />
da bei diesen die Immunreaktion nicht mehr<br />
so ausgeprägt ist wie bei den Jüngeren. Dies<br />
erforschen wir aktuell im BMBF-geförderten<br />
Projekt GERONTOSHIELD.<br />
LABORWELT:<br />
Wie geht Ihre interessante Forschungsarbeit<br />
nun weiter<br />
Guzmán:<br />
Hinsichtlich möglicher Anwendungen von<br />
a-GalCerPEG in Impfstoffen treiben wir die<br />
Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen<br />
und akademischen Gruppen voran. Zudem<br />
forschen wir weiter an der Aktivierung des<br />
Immunsystems älterer Menschen. Schließlich<br />
wollen wir den Wirkmechanismus des<br />
neuen Adjuvans noch detaillierter verstehen.<br />
Bisher wissen wir, dass die T H<br />
17-Hemmung<br />
über Natürliche Killer-T-Zellen (NKT-Zellen)<br />
vermittelt wird. Wir sehen eine Stimulierung<br />
von NKT-Zellen, die bestimmte Zytokine<br />
ausschütten. Diese Zytokine sind kritisch, um<br />
ein bestimmtes Milieu im Rahmen der Antigenpräsentation<br />
zu erzeugen; so verhindern<br />
beispielsweise IL-4 und IFNg die Bildung von<br />
T H<br />
17-Zellen.<br />
32 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Imaging Zellbiologie<br />
Zellteilungsdauer im<br />
High-Content-Screening<br />
bestimmen<br />
Dr. Andreas Pippow 1 , Stefan Borbe 1 , Sebastian Räse 2 , Dr. Stefan Prechtl 2 ,<br />
Prof. Dr. Thomas Berlage 1 ; 1 Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik<br />
FIT, Schloss Birlinghoven, Sankt Augustin; 2 Bayer Healthcare Pharmaceuticals,<br />
Global Candidate Generation & Exploration Screening, High Content Analysis<br />
Bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe für die Krebstherapie sind bildgebende Verfahren<br />
nicht mehr wegzudenken. Eines dieser Verfahren ist das High-Content-Screening. Dabei<br />
kann man herausfinden, ob bestimmte Substanzen die Teilung von Krebszellen und damit<br />
das Wachstum von Tumoren verringern oder sogar verhindern. Automatisierte Mikroskope<br />
generieren bei der Aufnahme sich teilender Zellen riesige Datenmengen, die in zeitaufwändigen<br />
Prozessen analysiert werden müssen. Die Etablierung dieser Experimente und die<br />
Auswertung der Bilddaten dauert dabei oft länger als die eigentliche Aufnahme der Bilder<br />
am Mikroskop. Deshalb ist es besonders wichtig, neue Software-Strategien zu entwickeln,<br />
die einerseits die Assay-Etablierung vereinfachen und gleichzeitig große Datenmengen in<br />
kurzer Zeit verarbeiten können.<br />
Krebs ist die zweithäufigste Todesursache in<br />
Deutschland. Auch wenn die Ausprägungen<br />
und Überlebensraten bei den verschiedenen<br />
Krebsarten sehr unterschiedlich sein können,<br />
haben alle Erkrankungen eines gemeinsam:<br />
Eine unkontrollierte Zellvermehrung führt<br />
zu Gewebewucherungen weit über die Organgrenzen<br />
hinaus.<br />
Die zelleigenen Mechanismen zur Wachstumskontrolle<br />
sind umprogrammiert, wodurch<br />
die Krebszellen potentiell unsterblich werden.<br />
Lösen sich einzelne Zellen aus dem Gewebeverband<br />
des Tumors, kommt es zur Metastasierung,<br />
und die Überlebenswahrscheinlichkeit<br />
des Patienten sinkt rapide. Um den Krebs<br />
möglichst rasch und vollständig zu bekämpfen,<br />
werden neue, noch spezifischere und besser<br />
wirkende Medikamente entwickelt.<br />
gerade befindet. Um dies zu optimieren, müssen<br />
unter Umständen Verfahren angewendet<br />
werden, die eine Anreicherung der Zellen in<br />
der Zellteilung bewirken. Diese Verfahren sind<br />
nicht unkritisch, weil dadurch Zellen eventuell<br />
geschädigt werden oder ihre Eigenschaften<br />
sich verändern. Beides kann den Effekt von<br />
Wirkstoffen verfälschen.<br />
Neue Verfahren gehen einen anderen Weg:<br />
Beim Live-Cell-Imaging wird das Verhalten<br />
lebender Zellen über ihren gesamten Lebenszyklus<br />
aufgezeichnet. Solche Experimente<br />
entsprechen vielmehr der physiologischen<br />
Situation im Körper. Sie ermöglichen damit<br />
eine sehr viel detailliertere und qualifiziertere<br />
Aussage zum Effekt der untersuchten<br />
Wirkstoffe. Diese Art dynamischer Studien<br />
an lebenden Zellen sind grundsätzlich nur<br />
mit automatisierten Verfahren im höheren<br />
Durchsatz realisierbar.<br />
Ein computergesteuertes Mikroskop nimmt<br />
Bildsequenzen der lebenden Zellen auf, die<br />
anschließend von verschiedenen Bildanalysealgorithmen<br />
ausgewertet werden. Dies hat<br />
nennenswerte Vorteile gegenüber manuellen<br />
Verfahren: Ein Mensch ist nie vollständig<br />
objektiv bei der Analyse von Bilddaten. In<br />
der Biologie existieren häufig Grenzfälle,<br />
die mit automatisierten Verfahren trotzdem<br />
nach eindeutigen Kriterien bewertet werden<br />
können. Dies setzt voraus, dass die Bilddaten<br />
mit einer objektiven und robusten Bildanalysesoftware<br />
verarbeitet werden können. Nur<br />
so werden valide, statistisch abgesicherte<br />
Resultate möglich, die eindeutige Schlussfolgerungen<br />
zulassen.<br />
Eine Entwicklung des Fraunhofer FIT für<br />
diese Anforderungen ist die Software Zeta. Sie<br />
ist darauf ausgerichtet, den Flaschenhals der<br />
Analyse von High-Content-Screening-Daten<br />
zu verringern und den gesamten Prozess<br />
vom Experiment zum Ergebnis deutlich zu<br />
beschleunigen. Das Projekt Zeta wurde vor<br />
ca. 15 Jahren ins Leben gerufen und bereits bei<br />
einigen unterschiedlichen Fragestellungen<br />
eingesetzt [1,2] .<br />
Bildanalyse<br />
Für das High-Content-Analyse-Team von<br />
Bayer Healthcare Berlin hat das Fraunhofer<br />
FIT eine neue Version der Software Zeta entwww.laborwelt.de<br />
Wirkstoffscreening<br />
Bei der Suche nach neuen Krebsmedikamenten<br />
werden Wirkstoffe auf lebende<br />
Zellen appliziert. Beim Wirkstoff-Screening<br />
geschieht dies viele Tausend- bis Millionen-<br />
Mal in verschiedenen Ansätzen. Wirkstoffe,<br />
die die Teilung von Krebszellen verhindern<br />
und gleichzeitig körpereigene Zellen unberührt<br />
lassen, haben dabei das Potential, ein<br />
Medikament zu werden. Bei bisherigen Versuchsansätzen<br />
geschah dies mit sogenannten<br />
Single-Time-Point-Assays.<br />
Die Zellen werden mit den Wirkstoffen inkubiert,<br />
zu einem bestimmten Zeitpunkt fixiert<br />
und anschließend gefärbt. Dabei hat man nur<br />
bedingt Kontrolle darüber, in welcher Phase<br />
sich die Mehrzahl der beobachteten Zellen<br />
Abb. 1: Graphische Oberfläche von Zeta. Der Benutzer sieht nur die Optionen, die für die<br />
Analyse der Daten nötig sind.<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 33
Zellbiologie Imaging<br />
wickelt. Sie kommt besonders gut mit großen<br />
Datenmengen zurecht, wie sie bei präklinischen<br />
Wirkstoffuntersuchungen anfallen. Ziel<br />
ist es, die Teilung von lebenden Krebszellen<br />
zu beobachten und zu quantifizieren. Eine<br />
besondere Herausforderung an die Bildanalyse<br />
besteht darin, die einzelnen Phasen der<br />
Teilung zu differenzieren und sie miteinander<br />
in zeitlichen Bezug setzen zu können. Die Zel-<br />
Daten sich teilender Zellen optimiert. Der<br />
Benutzer kann sich während der Arbeit mit<br />
der Anwendung nacheinander durch die<br />
Plug-Ins klicken.<br />
Bewegungsartefakte, die durch kleine Verwackelungen<br />
des Mikroskoptisches während<br />
der Bildaufnahme entstehen, werden durch<br />
das Registrierungs-Plug-In eliminiert. Dieses<br />
richtet die einzelnen Bilder einer Zeitserie neu<br />
zueinander aus. Der Prozess der Registrierung<br />
ist für jede Art von Live-Cell-Imaging-Daten<br />
erforderlich.<br />
Mit dem Vordergrund-Hintergrund-Plug-<br />
In werden die Zellobjekte vom Hintergrund<br />
getrennt. An dieser Stelle bietet Zeta ein<br />
interaktives Verfahren an. Der Benutzer<br />
markiert mit der Maus einige Zellen und<br />
Hintergrundregionen.<br />
Die Software lernt anhand dieser Beispiele,<br />
wie Zellen vom Hintergrund unterschieden<br />
werden können und gibt direkt ein visuelles<br />
Feedback. Der Anwender sieht, welche Regionen<br />
Zeta als Vordergrund und welche als<br />
Hintergrund klassifiziert hat, und kann diese<br />
Erkennung verbessern, indem er Beispiele<br />
hinzufügt oder entfernt. Die Software wird<br />
auf diese Weise trainiert, die Zellen vom<br />
Hintergrund bestmöglich zu trennen. Diese<br />
Trainierbarkeit ist ein Schlüsselkonzept<br />
der Software, weil dadurch die Flexibilität<br />
erhöht wird.<br />
Das Segmentierungs-Plug-In, ermöglicht<br />
die Trennung von Zellclustern in einzelne<br />
Zellobjekte. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit,<br />
jede einzelne Zelle morphologisch zu<br />
beschreiben.<br />
Das Klassifikations-Plug-In ist für die Sortierung<br />
sich teilender Zellen besonders wichtig.<br />
Mit diesem Plug-In wird jede einzelne Zelle einer<br />
bestimmten Zellzyklusphase zugeordnet.<br />
Durch die integrierte Trainierbarkeit genügt<br />
es, einige Zellen beispielhaft mit einem Label<br />
zu versehen. Diese werden anschließend auf<br />
alle entsprechenden Zellen der Bildserien<br />
übertragen.<br />
Mit dem Tracking-Plug-In wird ein Zelltracking<br />
innerhalb der aufgenommenen Zeitserie<br />
durchgeführt. Hierbei wird für jede Zelle eine<br />
Historie angelegt, der zu entnehmen ist, wie<br />
lange sich eine Zelle in einer Zellzyklusphase<br />
befindet.<br />
Zudem bietet Zeta ein Evaluationsmodul<br />
an, mit dem die Informationen der einzelnen<br />
Analyse-Plug-Ins integriert werden und in<br />
Form einer csv-Datei exportiert werden<br />
können.<br />
Ausblick<br />
Abb. 2: Objekterkennung in Zeta (Konturen) und Klassifizierung nach den Zellteilungsphasen<br />
(Farben)<br />
len müssen nicht nur als Objekte erkannt und<br />
den einzelnen Zellteilungsphasen zugeordnet<br />
werden, auch das Erkennen der zeitlichen<br />
Abfolge ist wichtig. Für jede Zelle wird also<br />
eine Historie angelegt.<br />
Besonders großen Wert ist bei der Entwicklung<br />
von Zeta auf die einfache Bedienbarkeit,<br />
die Integrierbarkeit in bestehende Datenmanagementsysteme<br />
und die Performance<br />
gelegt worden. Mit wenigen Mausklicks wird<br />
die Software darauf trainiert, bestimmte<br />
Zellmuster zu erkennen und zu klassifizieren.<br />
Dadurch wird sie sehr flexibel und kann auch<br />
für andere biologische Fragestellungen eingesetzt<br />
werden.<br />
Der Zeta-Workflow<br />
Eine Besonderheit von Zeta ist seine Plug-<br />
In-Struktur. Bei Arbeitsbeginn werden über<br />
eine Konfigurationsdatei bestimmte, für die<br />
Analyse notwendige Module in die Benutzeroberfläche<br />
geladen.<br />
Im Falle der Krebszellen sind folgende<br />
Plug-Ins sinnvoll: Registrierung, Vordergrund-<br />
Hintergrund-Erkennun, Segmentierung,<br />
Klassifikation, Zelltracking und Evaluation.<br />
Auswahl und Reihenfolge dieser Plug-Ins<br />
sind für die Analyse von Live-Cell-Imaging-<br />
Automatisierte, bildgebende Verfahren sind<br />
etablierte Hilfsmittel für die Suche nach<br />
neuen Wirkstoffen gegen Krebs. Oft ist dabei<br />
die Auswertung der generierten Daten<br />
ein Engpass innerhalb des Arbeitsprozesses.<br />
Die hier vorgestellte Software soll den<br />
Analyse-Workflow deutlich vereinfachen und<br />
beschleunigen.<br />
Während eines automatisierten Screenings<br />
können derzeit etwa bis zu 50.000 Bilder pro<br />
Tag anfallen. Idealerweise ist der Algorithmus<br />
für die Bilderkennung so schnell, dass er in der<br />
gleichen Zeit fertig ist. Rechnerisch bleiben<br />
also weniger als zwei Sekunden pro Bild für<br />
die Analyse.<br />
In ersten Tests konnte Zeta diesen Wert<br />
mit einem Server mit 20 Prozessoren<br />
und 20 GB Arbeitsspeicher erreichen. Die<br />
Software-Architektur ist so angelegt, dass<br />
mit größeren Rechnern auch noch höhere<br />
Geschwindigkeiten erzielt werden können.<br />
Gegenstand der Forschung bleibt die Integration<br />
der Daten.<br />
Literatur<br />
[1] Malthan D, Huchler R, Brandenburg A, Thielecke H, Hildebrandt<br />
C, Zühlke D (2008). Association for Laboratory<br />
Automation, Abstracts: pp.74<br />
[2] Scheede S, Herpens A, Burmeister F, Oltrogge B Saenger<br />
K, Schmidt-Rose T, Schreiner V, Wenck H, Knieps T, Berlage<br />
T (2011) Skin Research and Technology: 17(2):186-195<br />
Korrespondenzadresse<br />
Dr. Andreas Pippow<br />
Fraunhofer-Institut für Angewandte<br />
Informationstechnik FIT<br />
Schloss Birlinghoven,<br />
53754 Sankt Augustin<br />
Tel.: +49-(0)2241-14-1524<br />
Fax: +49-(0)2241-144-1524<br />
andreas.pippow@fit.fraunhofer.de<br />
www.fit.fraunhofer.de<br />
34 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Zellbiologie Expertenpanel<br />
Zellbasierte Tox-Assays<br />
Der Bedarf an in vitro-Toxizitätstests ist hoch – nicht zuletzt seitdem politische Entscheidungsträger<br />
den Ersatz von Tierversuchen bei der Substanztestung proklamieren. Der Fortschritt läuft<br />
dagegen langsamer als die politischen Absichtserklärungen. Denn die Test-Zulassung braucht im<br />
Durchschnitt 10 Jahre und verschlingt hohe Kosten. Auch wenn es nach Experteneinschätzung nicht<br />
absehbar ist, ob und wann komplexe systemische Endpunkte, wie die Reproduktionstoxizität, die<br />
Toxizität bei wiederholter Gabe/Langzeittoxizität oder Toxikokinetik, mit in vitro-Tests messbar sein<br />
werden, laufen Versuche an, die Paramenter anhand von omics-Daten zu modellieren, wie etwa<br />
im von Jürgen Hescheler koordinierten Detective-Projekt oder dem Human Toxome Project.<br />
der verschiedenen Technologien können<br />
Biomarker mit Vorhersagekraft für humane<br />
Toxizität in vitro entwickelt werden. Basierend<br />
auf integrativer statistischer Analyse, systematischer<br />
Überprüfung und Korrelation mit<br />
in vivo-relevanten Daten, werden spezifische,<br />
sensitive und prädiktive Biomarker entwickelt.<br />
Die Definition genereller, relevanter<br />
humaner Toxizitätspathways für unterschiedliche<br />
Organsysteme eröffnet schließlich die<br />
Möglichkeit eines systemischen Ansatzes der<br />
Toxizitätstestung.<br />
Thomas Hartung<br />
Prof. Dr. Dr. med<br />
Thomas Hartung,<br />
Johns Hopkins<br />
Bloomberg<br />
School of Public<br />
Health, Baltimore<br />
& Univ. Konstanz<br />
LABORWELT:<br />
Welche Fortschritte gibt es bei in vitro-Toxizitätstests<br />
auf Basis von Metabolomanalysen<br />
Hartung:<br />
Metabolomics ist auf dem Vormarsch in der<br />
Toxikologie. Von den gängigen Omics-Technologien<br />
ist sie am nächsten am Phänotyp,<br />
also den tatsächlich stattfindenden Veränderungen.<br />
Während wir mit 22.000 Genen<br />
und ihren Transkripten oder mehr als einer<br />
Million Proteinen umgehen müssen, gibt es nur<br />
wenige Tausend Metabolite, die wir recht gut<br />
inklusive ihrer metabolischen Verknüpfungen<br />
kennen. Insbesondere die Massenspektriebasierten<br />
Methoden der Metabolomics haben<br />
in den letzten Jahren enorme Fortschritte<br />
bezüglich Standardisierung und Sensitivität<br />
gemacht, und die Kosten einer Einzelanalyse<br />
sind relativ niedrig. Es wundert deshalb nicht,<br />
dass die Methode zunehmend in der Toxikologie<br />
genutzt wird. Pionierarbeiten bei BASF<br />
haben mit Kurzzeit-Tierversuchen für rund<br />
500 Chemikalien gezeigt, dass sich typische<br />
Signaturen von Metaboliten-Veränderungen<br />
für eine ganze Reihe von toxischen Effekten im<br />
Blut nachweisen lassen. Dies wird bereits für<br />
eine biologische Gruppierung von Substanzen<br />
für Testungen im Rahmen der von der EU-<br />
Chemikalienrichtlinie REACH vorgeschriebenen<br />
Substanztestung eingesetzt und kann vermutlich<br />
Effekte in Langzeit-Versuchen vorhersagen.<br />
Auch Zellkulturen kommen zunehmend zum<br />
Einsatz – wir haben bereits 2008 den Einsatz<br />
für Entwicklungsstörungen des Gehirns beschrieben,<br />
was jetzt von der FDA in unserem<br />
Labor gefördert wird. Stemina in Madison<br />
(USA) hat ganz ähnlich humane embryonale<br />
Stammzellen mit Metabolomics kombiniert<br />
und arbeitet mit der US EPA zusammen, um<br />
teratogene Effekte vorherzusagen. Zudem gibt<br />
es große Erwartungen, dass Metabolomics<br />
in vitro bei der Identifizierung von Toxiziäts-<br />
Pathways helfen kann, wie im NIH-geförderten<br />
Human Toxome Project angestrebt. Wir haben<br />
gerade mit BASF einen Workshop in Berlin<br />
veranstaltet, der die enormen Möglichkeiten<br />
dieser Technologie beleuchtete, aber auch noch<br />
zu meisternde Herausforderungen gezeigt hat.<br />
Ende des Jahres machen wir etwas ähnliches<br />
in den USA.<br />
Jürgen Hescheler<br />
Prof. Dr. Jürgen<br />
Hescheler, Direktor<br />
des Instituts für<br />
Neurophysiologie<br />
an der Universität<br />
zu Köln<br />
LABORWELT:<br />
Wie lassen sich komplexe Endpunkte künftig<br />
in vitro testen<br />
Hescheler:<br />
Die Grundlage innovativer in vitro Toxizitätstests<br />
ist die Entwicklung von robusten,<br />
zuverlässigen, sensitiven und spezifischen<br />
Biomarkern. Dabei ermöglicht die systematische<br />
Auswertung von komplementären<br />
funktionellen und „-omics“ Technologien, einschließlich<br />
High-Content und High-Throughput<br />
Screening Technologien, die Identifizierung<br />
und Untersuchung humaner Biomarker<br />
in zellulären Modellen. Während funktionelle<br />
Parameter Einblicke in die Wirkung von<br />
Schadstoffen auf spezifische Zellfunktionen<br />
geben, liefern „-omics“-Technologien Informationen<br />
zur gesamten zellulären Situation<br />
auf molekularer Ebene. Die Auswirkungen von<br />
Wirkstoffen auf Epigenetik und microRNA<br />
Expression versprechen unser Verständnis<br />
von toxischen Wirkmechanismen vertiefen<br />
zu können. Diese beiden Parameter haben<br />
sich als kritisch für das Verhalten der Zelle<br />
herausgestellt und es gilt nun, zu evaluieren,<br />
inwiefern die Anwendung von Chemikalien<br />
Zellen auf dieser Ebene beeinflussen. Durch<br />
Kombination und anschließende Integration<br />
Dirk Dressler<br />
Dr. Dirk Dressler ist<br />
leitender Mitarbeiter<br />
bei der BioTeSys<br />
GmbH und zuständig<br />
für die Auftragsforschung<br />
in vitro-<br />
Wirknachweise.<br />
LABORWELT:<br />
Welche Fortschritte gibt es bei der Automation<br />
der in vitro-Genotoxizitätstestung<br />
Dressler:<br />
Die in vitro-Prüfung einer Substanz auf genotoxischer<br />
Substanzeigenschaften erfolgt zur<br />
Zeit durch eine Kombination von verschiedenen<br />
Testverfahren, wobei jedoch z.T. falsch<br />
positive Aussagen auftreten. Der FADU-Assay<br />
(Fluorimetric detection of Alkaline DNA Unwinding)<br />
bietet hier neue Möglichkeiten. Er<br />
ist automatisiert einsetzbar und zeichnet sich<br />
durch eine hohe Sicherheit und eine einfache,<br />
schnelle und robuste Durchführung aus.<br />
Neben bereits etablierten Zelllinien werden<br />
nun auch komplexe Gewebemodelle als Testgrundlage<br />
etabliert. Mit dieser Technologie<br />
können DNA Strangbrüche und DNA Repair<br />
getrennt erfasst werden. Wichtiges Kriterium<br />
ist dabei, dass die Einwirkzeit der Testsubstanzen<br />
sehr variabel (von sehr kurz bis lang)<br />
gewählt werden kann. So ist es erstmals möglich<br />
beide Prozesse in sensitiver und reproduzierbarer<br />
Weise zuverlässig zu detektieren.<br />
Es können wie gezeigt DNA Strangbrüche in<br />
peripheren Blutlymphocyten nachgewiesen<br />
werden, die von verschiedensten Chemikalien<br />
hervorgerufen wurden. Chemikalien ohne<br />
genotoxisches Profil fungierten als Negativ-<br />
Kontrolle. Zur Zeit wird dieses der FADU-Assay<br />
bei der Bewertung möglicher genotoxischer<br />
Eigenschaften von Nanopartikeln geprüft.<br />
So kann die Kombination von intelligentem<br />
Assay und Automatisierung Grenzen der<br />
Analytik erweitern und mehr Sicherheit in der<br />
Bewertung erreicht werden.<br />
www.laborwelt.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 35
Branche Labormarkt im Umbruch<br />
Qiagen: Auf der Suche<br />
nach Wachstumstreibern<br />
Dr. Patrick Dieckhoff, BIOCOM AG<br />
Milliardenschwere Übernahmen sind gang und gäbe im Labormarkt. Grund genug, in dieser<br />
LABORWELT-Serie einen Blick auf die Player, ihre Strategien und Deals zu werfen. Klar ist:<br />
Elefantenhochzeiten bleiben an der Tagesordnung. Die Preise bleiben hoch, genauso wie die<br />
Wahrscheinlichkeit, dass sich der Labormarkt in zehn Jahren völlig anders darstellen wird als<br />
heute. Die Qiagen NV hat sich in den vergangenen Jahren durch Übernahmen selbst transformiert.<br />
Früher ausschließlich als Laboranbieter bekannt, ist das Unternehmen heute ein<br />
Spezialist für Molekulardiagnostik und personalisierte Medizin. Diese Wachstumsbereiche<br />
müssen Schwächen im Portfolio der Hildener ausgleichen.<br />
Qiagen in Zahlen:<br />
Umsatz: 1,17 Mrd. US-$<br />
Gewinn (operativ): 319,6 Mio. US-$<br />
Umsatzrendite: 27 %<br />
F&E-Investiton: 12 % des Umsatzes<br />
Börsenwert: 2,68 Mrd. Euro (Stichtag 6.3.)<br />
Mitarbeiter: 3.600<br />
CEO:<br />
Peer Schatz<br />
Umsätze: regional<br />
– Europa 36 %<br />
– Asien 18 %<br />
– Nord- und Südamerika 46 %<br />
Kunden nach Umsatz:<br />
– Molekulardiagnostik (50 %)<br />
– Applied Testing (7 %)<br />
– Pharma (19 %)<br />
– Akademia (24 %)<br />
Vor nicht allzu langer Zeit war die Qiagen NV<br />
ein ganz normaler Laborzulieferer. Die charakteristischen<br />
blauen Packungen standen auf fast<br />
jeder Bench. Doch der Erfolg war gleichzeitig<br />
ein Fluch. Das Unternehmen wuchs nur noch<br />
schleppend. Unternehmenschef Peer Schatz<br />
und seine Kollegen wagten die Flucht nach<br />
vorn. Die 40 Mio. US-$ teure Akquisition des<br />
Hamburger Molekulardiagnistik-Pioniers Artus<br />
GmbH im Jahr 2005 war der Auftakt für<br />
die Transformation des Unternehmens hin zu<br />
einem Geräte- und Testentwickler. 2007 folgte<br />
schließlich der Paukenschlag. Für die bemerkenswerte<br />
Summe von 1,7 Mrd. US-$ verleibte<br />
sich Qiagen den US-amerikanischen Spezialisten<br />
Digene Corp. ein. „Dies ist ein Schritt in<br />
eines der am schnellsten wachsenden Felder<br />
der Molekulardiagnostik“, sagte Schatz nach der<br />
Übernahme und meinte damit vor allem die Diagnostik<br />
von humanen Papillomviren (HPV), die<br />
Gebärmutterhalskrebs auslösen können. In den<br />
folgenden Jahren verleibten sich die Hildener<br />
weitere Firmen ein, darunter die französische<br />
Ipsogen, einen Spezialisten für Hämatologie.<br />
Die Strategie dahinter: Es geht darum, Qiagens<br />
Analyseplattform QiaSymphony auszulasten.<br />
Content is king! Je mehr Tests für sie verfügbar<br />
sind, desto attraktiver werden die Geräte.<br />
Starker Wettbewerb<br />
Die Konkurrenz ist namhaft: Mit Siemens, Abbott<br />
und Roche streiten sich Großkonzerne mit<br />
Qiagen um die Gunst der Diagnostik-Labore. Bis<br />
Ende 2011 waren weltweit 550 QIAsymphony<br />
Geräte installiert. Im laufenden Jahr soll die<br />
Zahl auf 750 Stück steigen. Der Verkaufspreis ist<br />
dabei nicht entscheidend – oft werden solche<br />
Geräte auch geleast. Vielmehr sind es die Verkäufe<br />
von passenden Reagenzien und Tests, die<br />
sich pro Gerät auf etwa 50.000 bis 60.000 US-$<br />
pro Jahr belaufen. Im Jahr 2011 stammte bereits<br />
fast die Hälfte von Qiagens Jahresumsätzen<br />
– 2011 waren das 1,17 Mrd. US-$ – aus der Molekulardiagnostik.<br />
Die akademische Forschung,<br />
einst dominierendes Segment, trägt heute nur<br />
noch ein Viertel des Umsatzes. Die Kundenbasis<br />
vervollständigen Pharmaunternehmen (19 %)<br />
und Spezialisten für Applied Testing (7 %). Unter<br />
allen Bereichen wuchsen die Einnahmen aus<br />
Akademia am schwächsten. Im vergangenen<br />
Jahr stiegen die Umsätze in diesem Bereich<br />
gerade einmal um 3 %.<br />
Vor allem in den USA sinken die Ausgaben für<br />
öffentliche Forschung, was sich in den Zahlen<br />
niederschlägt. Auch in der näheren Zukunft<br />
werde sich das nicht ändern, glaubt Qiagens<br />
Management. Generell macht Deutschlands<br />
größtem Biotech-Unternehmen mit 3.600<br />
Mitarbeitern die derzeitige Schwäche wichtiger<br />
Märkte wie den USA zu schaffen. Weil<br />
sich hier die finanzielle Situation auch von<br />
Privatleuten verschlechtert hat, wird immer<br />
weniger Geld für Vorsorge ausgegeben. Damit<br />
ist Qiagen abhängig von der Entwicklung der<br />
Weltwirtschaft. Entsprechend schlecht verkaufen<br />
sich die HPV-Tests des Unternehmens.<br />
Marktbeobachter glauben nicht, dass sich das<br />
so schnell ändern wird.<br />
Endmontage einer QIAsymphony-Plattform.<br />
Die makroökonomische Gefahr<br />
Und so ist das Unternehmen auf der Suche<br />
nach neuen Wachstumsfeldern. Die sieht das<br />
Management vor allem in der personalisierten<br />
Medizin. Auch hier half Qiagen wieder eine<br />
Übernahme. Nach dem Kauf der britischen DxS<br />
im Jahr 2009 positionieren sich die Hildener als<br />
Partner für Pharmakonzerne, die zunehmend<br />
auf der Suche nach begleitenden Diagnostika<br />
für ihre Medikamente sind. Nur wenige<br />
Unternehmen wie Roche oder Abbott haben<br />
diese Expertise im eigenen Haus. Die meisten<br />
Unternehmen müssen hier zukaufen. Qiagen<br />
hat sich als Partner für Branchengrößen wie<br />
Eli Lilly oder Pfizer positioniert. Es bleibt abzuwarten,<br />
wie erfolgreich Qiagens Diagnostik-<br />
Entwicklungsplattform sein wird.<br />
36 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Stellenmarkt Service<br />
Akademischer Stellenmarkt<br />
Institute of Gender in<br />
Medicine Berlin<br />
Doctoral student<br />
The group of Prof. Regitz-Zagrosek / Dr. Mahmoodzadeh is looking for a motivated<br />
PhD student with expertise in cardiomyocyte Ca2+-signaling, interest<br />
in sex hormone effects, and in animal surgery. We offer a 3 years position with<br />
integration into an internationally well connected active research group with<br />
expertise in cellular/molecular biology, mitochondrial function, human tissue<br />
and animal models. Main research focus of our group is the investigation of<br />
sex differences in myocardial hypertrophy (for more information, please visit<br />
our web sites at: http://gender.charite.de or<br />
http://www.ccr.charite.de/en/research/research_group_regitz_zagrosek/<br />
Requirements<br />
– A highly motivated candidate with an interest in cellular and molecular biology<br />
and cardiomyocyte physiology<br />
– Candidates applying for a PhD position must hold a Master/Diploma degree<br />
in the natural sciences or related disciplines, an excellent academic record<br />
and practical experience in molecular and cellular biology; having obtained<br />
a certificate for conducting animal experiments is an advantage.<br />
Employment<br />
Successful candidate will be employed from April 2012 on for 36 months<br />
Application letters including a CV and contact details of three referees should<br />
be sent before March 20, 2012 to:<br />
Dr. Shokoufeh Mahmoodzadeh<br />
Charite-Universitätsmedizin<br />
Institute of Gender in Medicine (GiM)<br />
Center for Cardiovascular Research (CCR)<br />
Hessische Str. 3-4, 10115 Berlin, Germany<br />
or via email: s.mahmoodzadeh@charite.de<br />
Alle Stellenanzeigen finden Sie auch unter:<br />
www.laborwelt.de<br />
FMI International<br />
PhD Program in<br />
Biomedical Research<br />
Applications are invited for internally funded PhD student fellowships at the<br />
Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI) in Basel, Switzerland.<br />
The FMI is part of the Novartis Research Foundation and is affiliated with<br />
the University of Basel. Our research focuses on epigenetics, mechanisms of<br />
cancer and neurobiology. We employ state-of-the-art technologies to explore<br />
basic molecular mechanisms of cells and organisms in health and disease.<br />
Our international PhD program has approximately 100 graduate students from<br />
more than 25 countries. The working language is English. Most students are<br />
registered at the University of Basel. The successful candidate holds a Diploma<br />
(or M.Sc.) acceptable for matriculation at the University and has a strong<br />
background in cell and molecular biology.<br />
Current topics include: Biology of aging / cancer and metastasis / DNA repair /<br />
cell adhesion / protein structure / proteomics and genomics / molecular mechanisms<br />
of cell signaling / cell type specification and differentiation / connectivity<br />
and functionality of neuronal circuits / vision, olfaction, motor control / synaptic<br />
plasticity / brain and behavior / learning and memory / sensory processing /<br />
epigenetic regulation and chromatin modification / gene expression and silencing<br />
/ genomic integrity / microRNAs and posttranscriptional regulation.<br />
Research group leaders: Joy Alcedo / Silvia Arber / Momo Bentires-Alj / Marc<br />
Bühler / Pico Caroni / Ruth Chiquet-Ehrismann / Rafal Ciosk / Witold Filipowicz /<br />
Rainer Friedrich / Susan Gasser / Helge Grosshans / Brian Hemmings / Nancy<br />
Hynes / Georg Keller / Andreas Lüthi / Patrick Matthias / Thomas Oertner /<br />
Antoine Peters / Jan Pielage / Ulrich Rass / Filippo Rijli / Botond Roska / Dirk<br />
Schübeler / Nicolas Thomä<br />
Financial support is in accordance with the scale of the Swiss National Science<br />
Foundation. Your income will be generous relative to international standards for<br />
PhD students. Duration of the appointment is typically 4 years.<br />
Application forms and further information:<br />
www.fmi.ch/training/phd/apply<br />
phdprogram@fmi.ch<br />
Application deadline: May 7, 2012<br />
Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research<br />
Maulbeerstrasse 66<br />
CH-4058 Basel<br />
Switzerland<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 37
Service Verbände Seite bitte abtrennen – per Fax an 030-264921-11<br />
Kontakt zu Verbänden<br />
Die Mitglieder der nachfolgenden Fachgesellschaften erhalten LABORWELT regelmäßig mit<br />
freundlicher Empfehlung ihrer Organisationen. Wer sich darüber hinaus für eine Mitarbeit oder<br />
einen Beitritt interessiert, erreicht die Fachgesellschaften unter den folgenden Kontakt daten:<br />
Ich interessiere mich für<br />
den Beitritt<br />
Unterstützung für Jungwissenschaftler<br />
Interessenvertretung<br />
eine Spende<br />
Fachgruppen im Bereich<br />
Name<br />
Tel.<br />
Bitte kontaktieren Sie mich<br />
Firma<br />
Fax<br />
Verband (siehe unten, bitte ankreuzen)<br />
E-Mail<br />
Dt. Ver. Gesell. f. Klinische Chemie<br />
und Laboratoriumsmedizin e.V. (DGKL)<br />
Geschäftsstelle der DGKL<br />
Friesdorfer Str. 153<br />
53175 Bonn<br />
Tel.: +49-(0)-228-92-68-9522<br />
Fax: +49-(0)-228-92-68-9527<br />
geschaeftsstelle@dgkl.de<br />
www.dgkl.de<br />
Gesellschaft für Genetik<br />
GESELLSCHAFT FÜR GENETIK<br />
c/o HZM – Deutsches<br />
Forschungszentrum für<br />
Gesundheit/Inst. of Developmental<br />
Genetics<br />
Tel.: +49-(0)-89-3187-2610<br />
Fax: +49-(0)-89-4620<br />
www.gfgenetik.de<br />
Netzwerk Nutrigenomik<br />
Netzwerk Nutrigenomik<br />
Arthur-Scheunert-Allee 114<br />
14558 Nuthetal<br />
Tel.: +49-(0)-33200-88-301<br />
Fax: +49-(0)-33200-88-541<br />
mail@nutrigenomik.de<br />
www.nutrigenomik.de<br />
Deutsche Gesellschaft für<br />
Proteomforschung<br />
BIO Deutschland<br />
c/o MPI für Biochemie<br />
Am Klopferspitz 18a<br />
82152 Martinsried<br />
Tel.: +49-(0)-89-1897-9007<br />
Fax: +49-(0)-89-1897-9009<br />
c.kleinhammer@dgpf.org<br />
www.dgpf.org<br />
Tegeler Weg 33/<br />
berlinbiotechpark<br />
10589 Berlin<br />
Tel.: +49-(0)-30-3450593-30<br />
Fax: +49-(0)-30-3450593-59<br />
info@biodeutschland.org<br />
www.biodeutschland.org<br />
Deutsche Gesellschaft für Hygiene<br />
und Mikrobiologie (DGHM)<br />
c/o Institut für Hygiene und<br />
Med. Mikrobiologie<br />
Carl-Neuberg-Straße 1<br />
30625 Hannover<br />
Tel.: +49-(0)-511-532-4655<br />
Fax: +49-(0)-511-532-4355<br />
www.dghm.org<br />
Gesellschaft für Signaltransduktion<br />
c/o Prof. Dr. Ralf Hass<br />
Med. Hochschule Hannover<br />
AG Biochemie u. Tumorbiol.<br />
30625 Hannover<br />
Tel.: +49-(0)-511-532-6070<br />
Fax: +49-(0)-511-532-6071<br />
www.sigtrans.de<br />
Gesellschaft für Pharmakologie<br />
und Toxikologie<br />
Geschäftsstelle der DGPT<br />
Achenbachstraße 43<br />
40237 Düsseldorf<br />
Tel.: +49-(0)-211-600-692-77<br />
Fax: +49-(0)-211-600-692-78<br />
mitglieder@dgpt-online.de<br />
www.dgptonline.de<br />
Nationales Genomforschungsnetz<br />
c/o DKFZ<br />
Im Neuenheimer Feld 580<br />
69120 Heidelberg<br />
Tel.: +49-(0)-6221-424-743<br />
Fax: +49-(0)-6221-423-454<br />
S.Argo@dkfz-heidelberg.de<br />
www.ngfn.de<br />
DiagnostikNetBB<br />
Netzwerk Diagnostik<br />
Berlin-Brandenburg e.V.<br />
Neundorfstraße 17<br />
16761 Henningsdorf<br />
Tel.: +49-(0)-3302-55-199-14<br />
Fax: +49-(0)-3302-55-199-10<br />
f.adams@diagnostiknet-bb.de<br />
www.diagnostiknetbb.de<br />
Verband der DiagnosticaIndustrie e.V.<br />
Verband der<br />
Diagnostica-Industrie e.V.<br />
Neustädtische Kirchstr. 8<br />
10117 Berlin<br />
Tel.: +49-(0)-30-200-599-40<br />
Fax: +49-(0)-30-200-599-49<br />
vdgh@vdgh.de<br />
www.vdgh.de<br />
Österreichische<br />
Reinraumgesellschaft (ÖRRG)<br />
ÖRRG<br />
Neudorf 41<br />
A-8262 Ilz<br />
Tel.: +43-(0)-3385-8117<br />
Fax: +43-(0)-3385-8117<br />
office@oerrg.at<br />
www.oerrg.at<br />
bts (Biotechnologische Studenteninitiative<br />
e.V.)<br />
c/o BIOCOM<br />
Lützowstraße 33–36<br />
10785 Berlin<br />
Tel.: +49-(0)-30-2649-21-21<br />
Fax: +49-(0)-30-2649-21-11<br />
www.btsev.de<br />
Deutsche Gesellschaft für<br />
Neurogenetik<br />
Institut für Humangenetik<br />
Calwer Straße 7<br />
72076 Tübingen<br />
Tel.: +49-(0)-7071-2977692<br />
Fax: +49-(0)-7071-295171<br />
peter.bauer@<br />
med.uni-tuebingen.de<br />
www.hihtuebingen.de/dgng/<br />
Österreichische Ges. f. Laboratoriumsmedizin<br />
& Klinische Chemie<br />
ÖGLMKC Geschäftsstelle<br />
Infomedica-KEG, Xenius Behal<br />
Tullnertalgasse 72<br />
A-1230 Wien<br />
Tel./Fax: +43-(0)-1889-6238<br />
office@oeglmkc.at<br />
www.oeglmkc.at<br />
38 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Produktwelt Service<br />
Greiner Bio-One<br />
Mini-Bioreaktor für<br />
Particular<br />
Biokunjugiertes Gold aus dem Laserlabor<br />
kleine Probenmengen Die Particular GmbH in Hannover hat 2010<br />
Der neue CELLreactor von Greiner Bio-One<br />
ist ein mit Filterschraubverschluss ausgestattetes<br />
innovatives 50 ml-Röhrchen aus<br />
Polypropylen. Es ermöglicht die Miniaturisierung<br />
großer Probenvolumina bei gleichzeitiger<br />
Maximierung paralleler Experimente<br />
innerhalb eines Versuchsansatzes. Damit ist<br />
es als kleiner Bioreaktor für die Kultivierung<br />
von Zellen einsetzbar.<br />
Jeder CELLreactor-Verschluss besitzt eine<br />
spezifische nach USP Class VI zertifizierte<br />
ihr Geschäft als weltweit erster Produzent<br />
lasererzeugter Nanomaterialien aufgenommen.<br />
Angeboten werden Nanopartikel aus<br />
verschiedensten Metallen, Legierungen oder<br />
Keramiken, die stabil in Wasser, Aceton oder<br />
anderen Lösungsmitteln dispergiert sind. Die<br />
hohe Reinheit, Vielfalt und Flexibilität prädestinieren<br />
die Produkte für die nanotechnologische<br />
Forschung und Entwicklung.<br />
Neben ligandenfreien Nanopartikel-<br />
Dispersionen bietet Particular seit 2011<br />
auch Goldkonjugate mit Oligonukleotiden,<br />
Peptiden und Antikörpern an, die in einigen<br />
Millilitern Wasser perfekt dispergiert sind. Der<br />
physikalische Laserabtrag macht die Gold-<br />
Konjugate besonders rein sowie kostengünstig,<br />
und durch die hohe Oberflächenaktivität<br />
der Partikel wird die Affinität des Goldes zu<br />
Biomolekülen mit schwefelhaltigen Gruppen<br />
besonders effizient ausgenutzt. Die Folge<br />
sind mehr Moleküle pro Partikel und weniger<br />
Molekülverluste.<br />
Die Goldpartikel besitzen einen Durchmesser<br />
von ca. 10 nm und können mit Funktionsmolekülen<br />
wie zellpenetrierenden Peptiden<br />
oder DNA verbunden werden, die das Gold<br />
nicht nur sichtbar macht, sondern auch als<br />
universelles Verbindungselement koppelt. Die<br />
besonderen optischen Eigenschaften erlauben<br />
leichte Nachweise und Charakterisierung.<br />
Während für viele Laborversuche heute noch<br />
toxische Farbstoffe verwendet werden, wird<br />
Gold besonders interessant, wenn die Ergebnisse<br />
auch auf Gewebe übertragen werden<br />
sollen. Kleine Mengen an Gold lösen keine<br />
unerwünschten Reaktionen aus. So sollen Biologen<br />
ihre Substanzen künftig beispielsweise<br />
durch Zellmembranen transportieren und mit<br />
DNA-Sequenzen verbinden, um Krankheiten<br />
zu erkennen oder zu bekämpfen.<br />
Particular GmbH<br />
Dr.-Ing. Niko Bärsch<br />
Hollerithallee 8<br />
30419 Hannover<br />
Tel.: +49-(0)511-2788-313<br />
Fax: +49-(0)511-2788-100<br />
sales@particular.eu<br />
www.particular.eu<br />
Polytetrafluorethylen beschichtete Kapillarporenmembran<br />
mit einer Porengröße von 0,2<br />
µm. Diese Membran garantiert die Sterilität<br />
des Röhrcheninhalts. Sie stellt außerdem<br />
einen ausgezeichneten Gasaustausch sicher.<br />
Das Durchmischen der Flüssigkeiten erfolgt<br />
mit Standard-Laborschüttlern, so dass<br />
Schaumbildung und zelluläre Scherkräfte<br />
während der Kultivierung minimiert werden<br />
können.<br />
Ein weiterer Vorzug des CELLreactors ist,<br />
dass für die Zellernte kein Transfer erforderlich<br />
ist. Aufgrund seiner konischen Form<br />
passt das Röhrchen in alle gängigen 50 ml-<br />
Zentrifugenrotoren, und die Zellen können<br />
innerhalb des Röhrchens direkt sedimentiert<br />
werden. Neben den Zellkulturanwendungen<br />
eignet sich der CELLreactor für die Expansion<br />
von aeroben Bakterien, Hefen und anderen<br />
Mikroorganismen in Schüttelkulturen<br />
sowie für die Lagerung von Komponenten<br />
und Flüssigkeiten, die einen Gasaustausch<br />
benötigen.<br />
Greiner Bio-One GmbH<br />
Sylvia Bauer<br />
Tel.: +49-(0)7022-948-0<br />
marketing@de.gbo.com<br />
www.gbo.com/bioscience<br />
Dunn Labortechnik<br />
Dunn Labortechnik erweitert Produktportfolio<br />
von Laborkleingeräten<br />
Neu im Programm bei Dunn Labortechnik<br />
sind Geräte der englischen Firma Medline<br />
Scientific Ltd.<br />
Neben kostengünstigen Laborkleingeräten<br />
für allgemeine Anwendungen, wie<br />
Magnetrührer, Heizmäntel, Exsikkatoren,<br />
Elektrobrenner und Overhead-Rührer, werden<br />
auch Spezialgeräte wie Pflanzenwachstumskammern,<br />
Öfen und Niedrigtemperatur-<br />
Inkubatoren angeboten.<br />
Die große Auswahl an Heizmänteln und<br />
Exsikkatoren dürfte besonders für Chemielabore,<br />
die Niedrigtemperatur-Inkubatoren z.B.<br />
für die Zellkultur und die Pflanzenwachstumskammern<br />
speziell für botanische Anwendungen<br />
interessant sein.<br />
Günstig und einfach in der Bedienbarkeit,<br />
sind die Magnetrührer u.a. für Schülerlabore<br />
oder Praktika zu empfehlen, während die<br />
Elektrobrenner eine interessante und sichere<br />
Alternative zu gasbetriebenen Brennern in<br />
Laboren darstellen.<br />
Dunn Labortechnik GmbH<br />
Thelenberg 6<br />
53567 Asbach<br />
Tel.: +49-(0)-268-343-094<br />
Fax: +49-(0)-268-342-776<br />
info@dunnlab.de<br />
www.dunnlab.de<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 39
Service Produktwelt<br />
Promocell<br />
Der PromoCell-Turbo für die Stammzell-Forschung<br />
Auf Grund ihrer einzigartigen biologischen<br />
Eigenschaften gewinnen Mesenchymale<br />
Stammzellen (MSC) in vielen Forschungsgebieten<br />
zunehmend an Bedeutung.<br />
PromoCell, der Spezialist für die Kultur humaner<br />
primärer Zellen, beliefert seine Kunden<br />
schnell und zuverlässig mit einem breiten<br />
Spektrum an Produkten für die Stammzellforschung.<br />
Primäre humane MSC werden bei Promo-<br />
Cell unter strengen ethischen Richtlinien aus<br />
unterschiedlichen Geweben isoliert, zum Beispiel<br />
aus Knochenmark, Fettgewebe oder der<br />
Nabelschnur-Matrix. Jede Charge unterliegt<br />
einer ausführlichen Charakterisierung und<br />
strengen Qualitätstests.<br />
Für die Kultur bzw. die gezielte in vitro-<br />
Differenzierung von MSC ist PromoCell als<br />
Lieferant für gebrauchsfertige, optimierte<br />
Expansions- und Differenzierungsmedien ein<br />
etablierter Partner. Das Unternehmen erweitert<br />
sein Portfolio nun durch ein neu entwickeltes<br />
serumfreies MSC-Expansionsmedium, das MSC<br />
Growth Medium DXF (definiert/xeno-frei).<br />
Das MSC Growth-Medium DXF wurde<br />
von PromoCell speziell für die Kultur von<br />
multipotenten, undifferenzierten MSC unter<br />
chemisch definierten, xeno-freien Bedingungen<br />
entwickelt. Die gezielte Aktivierung der<br />
Selbsterneuerung garantiert die robuste Proliferation<br />
von MSC und eine hohe Zellausbeute.<br />
Die Primär-Isolation von MSC, zum Beispiel aus<br />
Knochenmark, wird ebenfalls unterstützt.<br />
PromoCell GmbH<br />
Sickingenstraße 63/65<br />
69126 Heidelberg<br />
Tel.: +49-(0)6221-649340<br />
info@promocell.com<br />
www.promocell.com<br />
Porvair<br />
Besonders einfache SPE-<br />
Verfahrensentwicklung<br />
Porvair Sciences hat eine Version seiner beliebten<br />
Festphasenextraktions-Mikroplatten<br />
Microlute (SPE) eingeführt, die eine breit<br />
gefächerte Palette an Phasenchemikalien und<br />
Sorbentladungen auf einer einzigen Platte<br />
ermöglicht und somit für die Methodenentwicklung<br />
ideal ist. Durch die Mischung aus<br />
Promocell<br />
Multiplex-ELISA für Immun- und Molekularbiologie<br />
PromoFectin ermöglicht einen hocheffizienten<br />
und reproduzierbaren Transport von<br />
Nukleinsäuren in eine Vielzahl adhärenter und<br />
nicht-adhärenter Zelltypen – mit oder ohne<br />
Mediumwechsel. Es zeigt extrem geringe Zytotoxizität<br />
und ist daher für die Transfektion<br />
sehr empfindlicher und schwer zu transfizierender<br />
Zell-Linien und primärer Zellen bestens<br />
geeignet. PromoFectin komplexiert und schützt<br />
die Nukleinsäuren und bewirkt in der Zelle<br />
eine sehr effiziente und schnelle Freisetzung<br />
der Nukleinsäuren und deren Transport in<br />
den Zellkern. Varianten von PromoFectin sind<br />
speziell auch für eine optimale Transfektion<br />
von Endothelzellen (z.B. HUVEC), Hepatozyten<br />
und Makrophagen sowie neuronaler Zellen<br />
und Insektenzellen entwickelt worden. Weitere<br />
PromoFectin-Varianten für den Transport von<br />
siRNA und funktionellen Proteinen/Peptiden<br />
in Zellen sind ebenfalls erhältlich.<br />
Die „Magnet-Assisted Transfection“-Technologie<br />
(MATra) wurde für eine sehr schnelle (ca. 15<br />
Minuten) und hocheffiziente Transfektion einer<br />
Vielzahl von Zelltypen entwickelt und zeigt –<br />
ebenfalls mit oder ohne Serum – exzellente<br />
Ergebnisse auch mit vielen bekanntermaßen<br />
schwer zu transfizierenden Zelltypen (wie etwa<br />
Primärzellen) sowie eine geringe Zytotoxizität.<br />
Die MATra-A Reagenz besteht aus einer Suspension<br />
speziell beschichteter magnetischer<br />
Nanopartikel, welche die interessierenden<br />
Nukleinsäuren (z.B. Plasmid-DNA, Oligonukleotide<br />
oder siRNA) binden und komplexieren.<br />
Durch ein starkes magnetisches Feld unter<br />
den zu transfizierenden Zielzellen werden die<br />
MATra-A/Nukleinsäure-Komplexe sehr schnell<br />
und quantitativ auf die Zellen gezogen und in<br />
hoher Dosis direkt auf den Zellmembranen abgelegt,<br />
was zu einer sehr effizienten Aufnahme<br />
der Komplexe in die Zellen führt. Die MATra-A<br />
Reagenz ist für die Transfektion von adhärenten<br />
Zellen konzipiert, doch lassen sich auch Suspensionszellen<br />
mittels eines einfachen Zwischenschritts<br />
(mit dem MATra-S Immobilizer) optimal<br />
transfizieren. Zusätzlich bietet PromoKine das<br />
MA Lipofection Reagent an, das mit den meisten<br />
gebräuchlichen Transfektionsreagenzien<br />
kombiniert werden kann, um Transfektionsergebnisse<br />
mittels der MATra-Technologie noch<br />
weiter zu optimieren.<br />
Mehr Informationen zur aktuellen PromoFectin-Sonderaktion<br />
gibt es unter:<br />
www.promokine.info/promotion<br />
PromoCell GmbH<br />
Sickingenstraße 63/65<br />
69126 Heidelberg<br />
Tel.: +49-(0)649 34-0<br />
Fax: +49-(0)649 34-40<br />
www.promokine.info<br />
info@promokine.de<br />
Phasenchemikalien und Sorbentladungen,<br />
die bei der Development Microlute zur Verfügung<br />
steht, wird eine schnelle und einfache<br />
Untersuchung auf die optimale Bindung und<br />
Selektivität möglich.<br />
Mit Development Microlute hat der<br />
Benutzer auf einer 96-Loch-Mikroplatte im<br />
Standardformat eine einzigartige Auswahl<br />
aus bis zu zwölf unterschiedlichen Phasen-<br />
und Sorbentladungen (10 bis 100 mg).<br />
Durch Bereitstellung einer kompletten SPE-<br />
Verfahren-Entwicklungslösung, die nicht vom<br />
Anwender konstruiert werden muss, kann<br />
der Zeitaufwand im Labor mit Development<br />
Microlute erheblich verkürzt werden. Die<br />
neuartige Bauart des Development Microlute<br />
bietet alle Vorteile einer automatisierten SPE-<br />
Probenvorbereitung. Einzelne SPE-Kartuschen<br />
müssen nicht wiederholt ein- und ausgesteckt<br />
werden. Durch Verwendung eines patentrechtlich<br />
geschützten Slurry-Ladeverfahren<br />
konnte Porvair die Kanalisierungsauswirkungen<br />
vermeiden. Jede Senke einer Development<br />
Microlute-Platte verfügt über eine<br />
individuelle Ablasstülle, so dass ein 100%iger<br />
Probentransfer gewährleistet ist, bei dem eine<br />
Kreuzkontamination ausgeschlossen werden<br />
kann. Development Microlute-Platten von<br />
Porvair sind zu allen gängigen Roboter-Probenhandhabungs-<br />
und Vorbereitungssystemen<br />
kompatibel, was einen problemlosen Betrieb<br />
mit hoher Produktivität gewährleistet.<br />
Porvair Sciences Ltd.<br />
Dr. Bill Bradbury<br />
Tel.: +44-(0)208-546-0869<br />
info@primetek-solutions.com<br />
www.porvair-sciences.com<br />
40 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
Kalender Service<br />
März – Mai 2012<br />
Veranstaltungskalender<br />
19.-21.3.12<br />
BIO-Europe Spring® 2012<br />
International Partnering Conference,<br />
Amsterdam (NL)<br />
Info: www.ebdgroup.com/bes<br />
19.-20.3.12<br />
2 nd Symposium on the Replacement,<br />
Reduction and Refinement of Animal<br />
Experiments, Hannover<br />
Info: www.tiho-hannover.de<br />
19.-21.3.12<br />
6 th Glycan Forum, Berlin<br />
Info: www.glycan-forum.de<br />
20.3.12<br />
Update Innovationsforum Bewertung,<br />
Regulierung, Erstattung, Berlin<br />
Info: www.diagnostiknet-bb.de<br />
27. März 2012, Erlangen<br />
Zellbasierte Therapien<br />
Auf dem Kooperationsforum „Zellbasierte<br />
Therapien„ in Erlangen werden Fortschritte<br />
in der Stammzellforschung und der Zellbiologie<br />
vorgestellt. Zu den Schwerpunktthemen<br />
gehören Plattformtechnologien für die<br />
Stammzellproduktion und therapeutische<br />
Anwendungen in der Immunologie.<br />
Info: www.bayern-innovativ.de/<br />
zelltherapie2012<br />
21.-24.3.12<br />
35. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft<br />
für Zellbiologie, Dresden<br />
Info: www.zellbiologie2012.de<br />
26.-28.3.12<br />
24 th DIA-EuroMeeting, Kopenhagen (DK)<br />
Info: www.diahome.org<br />
26.-29.3.12<br />
5 th Companion Diagnostics Summit,<br />
Frankfurt (Main)<br />
Info: www.companion-dxeurope.com<br />
20. April 2012, München<br />
jobvector career day<br />
Neben persönlichen Gesprächen mit Personalverantwortlichen<br />
aus Biotechnologie,<br />
Pharma, Medizin und den Life Sciences<br />
bietet der jobvector career day ein umfangreiches<br />
Vortragsprogramm.<br />
Info: www.jobvector.de/muenchen<br />
26.-27.3.12<br />
5. Bundesalgenstammtisch, Pullach<br />
Info: www.dechema.de/algen2012<br />
27.-29.3.12<br />
Bioassays and Bioanalytics & Stability Testing<br />
for Biological/Biotechnological Drug Substances<br />
and Drug Products, Kopenhagen (DK)<br />
Info: www.gmp-navigator.com<br />
28.-29.3.12<br />
Advances in Microarray Technology,<br />
Edinburgh (UK)<br />
Info: https://selectbiosciences.com/conferences/<br />
AMT2012<br />
2.-5.4.12<br />
Protein Modellierung – von der Sequenz zur<br />
Struktur, Erlangen<br />
Info: http://kwi.dechema.de/PM.htm<br />
10.-12.4.12<br />
Environmental Microbiology & Biotechnology<br />
Conference 2012, Bologna (I)<br />
Info: www.efb-central.org<br />
16.-20.4.12<br />
WFC11 – 11 th World Filtration Congress, Graz (A)<br />
Info: www.wfc11.org<br />
17.-20.4.12<br />
Analytica 2012, München<br />
Info: www.analytica.de<br />
19.4.12<br />
6. Biotech-Tag der FH Bingen<br />
Info: www.fh-bingen.de<br />
19.-20.4.12<br />
10 th EGA International Symposium on<br />
Biosimilar Medicines, London (UK)<br />
Info: www.gpaconferences.com<br />
23.-24.4.12<br />
Charité Entrepreneurship Summit 2012,<br />
Berlin<br />
Info: www.charite-summit.de/2012<br />
25.4.12<br />
Einführung in die „Gute Laborpraxis“,<br />
Karlsruhe<br />
Info: www.fortbildung.kit.edu<br />
25.-27.4.12<br />
GMP for Vaccine Manufacturers, Berlin<br />
Info: www.gmp-navigator.com<br />
1.5.12<br />
Companion Diagnostics – from Early<br />
Drug Discovery to Clinical Application,<br />
Thame, Oxfordshire (UK)<br />
Info: www.elrig.org<br />
2.-4.5.12<br />
9 th International Conference on Protein<br />
Stabilisation, Lisbon (PT)<br />
Info: http://prostab2012.ist.utl.pt<br />
2.-5.5.12<br />
7 th International Symposium on<br />
Neuroprotection and Neurorepair, Potsdam<br />
Info: www.neurorepair-2012.de<br />
7.–9. Mai 2012, Basel<br />
Klinische Nanomedizin<br />
Alle Facetten der Nanomedizin werden<br />
auf dem European Summit for Clinical<br />
Nanomedicine 2012 behandelt. Programmschwerpunkte<br />
sind Themen wie<br />
Drug Delivery, Nanodiagnostik und<br />
regenerative Medizin<br />
Info: www.clinam.org<br />
LABORWELT 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 | 41
Ausblick<br />
Next-next-Generation<br />
Sequencing ist marktreif<br />
von Thomas Gabrielczyk, Redaktion LABORWELT<br />
Vor fast drei Jahren berichtete das kleine Unternehmen Oxford Nanopore in LABORWELT über den<br />
Prototypen eines Nanopore-Sequencers, der auf Basis von Leitfähigkeitsmessungen hochparallel<br />
die Sequenz von (c)DNA-Einzelsträngen ausliest, die in einen Chip eingebettete Hämolysin-Poren<br />
passieren (LABORWELT 3/2009). Mitte Februar kündigte das Unternehmen auf der AGBT-Konferenz<br />
(Marco Island, Florida) den Vermarktungsstart für seine Technologie noch in diesem Jahr an.<br />
Wie alle Geräte, die neu auf den hochdynamischen<br />
Markt der Hochdurchsatz-Sequencer<br />
kommen, werden auch das GridION-System<br />
(Durchsatz mind. 10Gb/Tag) und das Einweg-<br />
System MinION (Durchsatz mind. 1.2 Gb/Tag),<br />
das die Größe eines USB-Sticks hat, ihre Kinderkrankheiten<br />
haben. Derzeit liegt die Fehlerrate<br />
mit 4% beim Basecalling noch viel zu hoch. Doch<br />
das Potential der neuen Methode ist gigantisch.<br />
Neben Leselängen, die das Sanger-Sequencing<br />
gleich bei der Vorstellung der ersten Sequenzierungsdaten<br />
um das Zehnfache übertrafen<br />
(10.000 Basen pro Lauf!), versprechen der Datendurchsatz<br />
und der Preis pro Base, bereits<br />
bei Vermarktungsbeginn genauso günstig<br />
zu sein wie der des derzeit unangefochtenen<br />
Weltmarktführers Illumina. Doch wird der in<br />
Aussicht gestellte Preis von $10/Gb auf dem<br />
GridION und $1.000/Gb auf dem Minion weiter<br />
fallen. Denn als erste Firma bietet Oxford Nanopore<br />
eine Sequenzierungstechnologie an, die<br />
weder teure Fluoreszenzkameras noch Fluoreszenzfarbstoffe<br />
für die Signaldetektion braucht,<br />
noch auf die vorherige Amplifikation der DNA<br />
mit PCR angewiesen ist, um eine ausreichende<br />
Signalstärke zu erreichen.<br />
Gleichwohl muss Illumina die Nanopore-<br />
Sequenzer GridION und MinION nicht fürchten.<br />
Denn die US-Firma hat sich früh die Rechte an<br />
einer noch genaueren Version des Verfahrens<br />
gesichert, über dessen Entwicklungsstand<br />
die Briten indes nichts verraten: Anders als<br />
beim „Strand Sequencing“ wird bei diesem<br />
Impressum<br />
LABORWELT (ISSN 1611-0854)<br />
erscheint vierteljährlich im Verlag der<br />
BIOCOM AG<br />
Lützowstraße 33–36<br />
10785 Berlin, Germany<br />
Tel./Fax: 030/264921-0 / 030/264921-11<br />
laborwelt@biocom.de<br />
www.biocom.de<br />
Redaktion<br />
Dipl.-Biol. Thomas Gabrielczyk<br />
Tel.: 030/264921-50<br />
Anzeigenleitung<br />
Oliver Schnell<br />
Tel. 030/264921-45,<br />
o.schnell@biocom.de<br />
Leserservice<br />
Angelika Werner, Tel. 030/264921-40<br />
Graphik-Design<br />
Michaela Reblin<br />
www.laborwelt.de<br />
Druck:<br />
Druckhaus Humburg GmbH, 28325 Bremen<br />
„Exonuclease Sequencing“ nicht ein intakter<br />
DNA-Einzelstrang durch die Pore geschleust.<br />
Statt dessen haben die Briten eine Exonuclease<br />
an die Nanopore fusioniert, die die DNA<br />
bindet und jeweils ein Nucleotid vom Ende<br />
her abschneidet – das verspricht, die mäßige<br />
Genauigkeit des Verfahrens um ein Vielfaches<br />
zu verbessern. Denn – anders als beim Strand<br />
Sequencing – muss keine technische Lösung<br />
dafür gefunden werden, den DNA-Strang am<br />
schnellen Durchtritt durch die Pore zu hindern<br />
und dessen Geschwindigkeit so zu verlangsamen,<br />
dass tatsächlich Base für Base abgelesen<br />
wird – ein derzeit nur unbefriedigend gelöstes<br />
Problem, an dem auch Illumina-Konkurrent<br />
Roche gemeinsam mit Partner IBM knobelt.<br />
Hope & Hype<br />
In ihren Ankündigungen übertreffen sich<br />
derzeit die Anbieter. Anfang Januar kündigte<br />
Life Technology ein update seiner IonTorrent-<br />
Pyrosequencing-Plattform an, die anstelle eines<br />
Fluoreszenz-Readouts die Halbleitertechnologie<br />
nutzt. Gegen das Nanopore-Sequencing können<br />
sowohl der Ion PGM Sequencer und sein größerer<br />
Bruder Ion Proton indes schon wegen der<br />
50-fach geringeren Leseweite nicht bestehen.<br />
Wer das Rennen im schnellwachsenden 1 Mrd.<br />
US$-Next-Gen-Sequencing-Markt macht, ist<br />
nicht zuletzt durch Roches 5,7 Mrd. US$-Offerte<br />
an Illumina (vgl S. x) nicht abzusehen.<br />
Für einen regelmäßigen Bezug von LABORWELT<br />
ist eine kostenlose Registrierung unter<br />
www.biocom.de oder per Fax erforderlich.<br />
Namentlich gekennzeichnete Beiträge stehen in<br />
der inhaltlichen Verantwortung der Autoren.<br />
Alle Beiträge sind urheberrechtlich geschützt.<br />
Ohne schriftliche Genehmigung des BIOCOM<br />
Verlages darf kein Teil in irgendeiner Form<br />
reproduziert oder mit elektronischen Systemen<br />
verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.<br />
Titelbild: ancroft/iStockphoto<br />
© BIOCOM AG, Berlin<br />
BIOCOM AG<br />
Inserentenverzeichnis<br />
BIOCOM AG ........................19, 22, 27<br />
CRELUX GmbH ......................Beilage<br />
Dunn Labortechnik GmbH .............. 21<br />
European Biotechnology Foundation 13, 16<br />
Fördergesellschaft IZB mbH. ............ U3<br />
Life Science Austria LISA/BOB ........... U2<br />
New England Biolabs GmbH ............ U4<br />
Particular GmbH ........................ 7<br />
Porvair Science Ltd. ...................... 19<br />
Toso Haas . .............................. 11<br />
Vorschau Heft 2/2012<br />
Themen<br />
Laborautomation & Aktuelles<br />
Jüngste Fortschritte in der Laborautomation<br />
sowie zwei weitere, aktuell ausgewählte<br />
Themen stehen im Mittelpunkt<br />
der nächsten Printausgabe von LABOR-<br />
WELT (Erscheinungsdatum 21. Juni 2012).<br />
Bereits zuvor wird ein Teil der Beiträge,<br />
Expertenpanels und Top-Publikationen<br />
auf der völlig überarbeiteten Online-Plattform<br />
LABORWELT.de veröffentlicht werden.<br />
Für das LABORWELT-Hauptthema „Laborautomation“<br />
sind die Themen „Biobanking<br />
& Biomarkers: Präparation, Probenlagerung<br />
und Analyse“, Drug Discovery Automation:<br />
„Zellbasierte Assays, Liquid Handling und<br />
Detektion“ sowie „Mikrofluidik/Omics-<br />
Automation“ geplant. Bei Interesse, einen<br />
Beitrag beizusteuern, hilft die Redaktion<br />
(Tel.: 03026492150, E-Mail: t.gabrielczyk@<br />
biocom.de) gerne weiter.<br />
Expertenpanel Klinische Diagnostik<br />
Werbekunden bietet diese Ausgabe eine<br />
opti male Plattform für ihre Produkt-und<br />
Image anzeigen. Reservieren Sie Ihren Werbeplatz<br />
in der LABORWELT-Themenausgabe<br />
bis spätestens zum 8. Juni 2012. Ergänzend<br />
zum Thema „Laborautomation“ lassen wir<br />
Automations- und Diagnostikexperten<br />
zu aktuellen Entwicklungen im Anwendungsfeld<br />
„Automation in der klinischen<br />
Diagnostik“ zu Wort kommen. Informationen<br />
zur möglichen Teilnahme einer Ihrer<br />
Experten sowie über die aktuellen Themen<br />
gibt Oliver Schnell (Tel.: +49-30-264921-45,<br />
E-Mail: o.schnell@biocom.de).<br />
42 | 13. Jahrgang | Nr. 1/2012 LABORWELT
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