Microarrays

Binnen kürzester Zeit hat SCHOTT ein neues biologisches Labor aufgebaut und bereits ein beschichtetes Substratglas für DNA Chips entwickelt. Neben Forschungsaktivitäten können dort auch Anwendungstests durchgeführt werden.
Dr. Rolf Froboese, Wasserburg

Effizienz erhöhen

Mit „SCHOTT Slide A” hat SCHOTT ein beschichtetes Substrat für Microarrays entwickelt, das eine zuverlässigere Analyse von DNA-Aktivität ermöglicht.

Im Bereich der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung kommt Analysen von DNA-Chips eine Schlüsselfunktion zu. Sie ermöglichen es, im Hochdurchsatz Genexpressions-Analysen von gesunden und kranken Gewebeproben durchzuführen. Je zuverlässiger diese initialen Ergebnisse sind, desto zielgerichteter kann die weitere Entwicklung eines Medikaments erfolgen.

Vor neuen Herausforderungen

Für die pharmazeutische Industrie gestaltet sich die Suche nach neuen Arzneistoffen immer noch als langwieriger und oftmals dornenreicher Weg. Ähnlich wie die alten Goldgräber, die einst Tonnen von Sand wuschen, um auf ein paar Goldkörner zu stoßen, müssen Chemiker und Biologen Myriaden von Verbindungen testen, um einem potenziellen Wirkstoff-Kandidaten auf die Spur zu kommen.

Zur Zeit befindet sich die stark forschungsorientierte Branche im Aufbruch in eine neue Ära: die Kosten für die Entwicklung eines neuen Medikaments explodieren, zur Reduzierung hinsichtlich Zeitbedarf und Kosten der Forschung werden an die Genomforschung größte Erwartungen geknüpft. Ziel ist es, nicht nur neue Targets für Wirkstoffe zu identifizieren, sondern den Prozess der präklinischen Forschung, der für die pharmazeutische Industrie immer ein großes zeitliches Nadelöhr darstellt, zu beschleunigen und effizienter zu machen. Denn nach wie vor vergehen von der Identifizierung eines potenziellen Wirkstoffs bis zum fertigen Medikament durchschnittlich zwölf bis fünfzehn Jahre.

Rascher zu neuen Pharma-Wirkstoffen

Zur Erreichung einer zuverlässigen Produktqualität wird „SCHOTT Slide A” einer durchgehenden Qualitätskotrolle unterzogen. So wie hier bei der visuellen Inspektion unterliegen alle Prozessschritte engen Vorgaben.
Neue – für die Anbindung von Biomolekülen beschichtete Substratgläser sind auch mit Barcode-Labels erhältlich. Kunden ermöglicht dies eine lückenlose Rückverfolgung eines DNA Chips von der Auswertung eines Chips zurück bis zur Produktion.
Welche Möglichkeiten gibt es, diese Entwicklungszeiten, die in anderen Schlüsseltechnologien völlig inakzeptabel wären, zu reduzieren? Zeiteinsparungen im Bereich der klinischen Tests sind nur bedingt vorhanden und im Hinblick auf die Sicherheit des Patienten auch nicht wünschenswert. Vielmehr muss die Strategie lauten, den Hebel in einer möglichst frühen Phase der Wirkstoffforschung anzusetzen. Einen Erfolg versprechenden Ansatzpunkt liefert die Identifizierung von Genen, die für die Entstehung von Krankheiten ursächlich verantwortlich sind.

Zur Identifizierung krankheitsrelevanter Gene werden in der Pharmaforschung unter anderem DNA-Microarrays eingesetzt. Bei diesem aus der Halbleitertechnik abgeleiteten Verfahren wird ein speziell beschichtetes Trägermaterial aus Glas mit Genmaterial, der sogenannten Sonden-DNA, bedruckt. Dafür existieren mehrere alternative Technologien: so z.B. Kontaktdruckverfahren, adaptierte Tintenstrahldruckverfahren photolithographische Verfahren. Aufgrund der Anordnung von mehreren hunderttausend Genfragmenten auf dem Substrat können Hybridisierungsexperimente im Hochdurchsatz parallel durchgeführt werden. Dabei werden fluoreszenzmarkierte DNA-Targetmoleküle aus Zell- oder Gewebematerialien auf das Substrat aufgebracht. Stimmt die auf dem Substrat immobilisierte Sonden-DNA mit der aus dem Probenmaterial stammenden Ziel-DNA überein, hybridisieren beide komplementären Einzelstränge zu einem DNA-Doppelstrang. Aufgrund der Fluoreszenzmarkierung können die hybridisierten DNA-Moleküle nachgewiesen werden. Dazu werden die Microarrays mit einem speziell dafür entwickelten Scanner ausgelesen.

Innovation im „Doppelpack”

Mit der Markteinführung von „SCHOTT Slide A” ist es SCHOTT gelungen, Unternehmen und Instituten der Pharma-Wirkstoffforschung ein beschichtetes Substrat zur Verfügung zu stellen, das die Auswertung von Expressionsexperimenten sicherer macht und gleichzeitig zu reproduzierbareren Ergebnissen führt. Kern der Innovation ist eine Multi-Amino-Silan-Beschichtung auf einem speziellen Borosilicatglas von SCHOTT.

Dabei bewirkt die Multi-Amino-Silan-Beschichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Produkten über eine vermehrte Anzahl von „Andockstellen” eine verstärkte Anbindung von DNA-Sonden, was einer höheren Empfindlichkeit gleichkommt. „Bei der Auswertung der Expressionsexperimente schlagen wiederum die exzellenten Materialeigenschaften des eingesetzten Borosilicatglases positiv zu Buche,” ergänzt Dr. Dirk van den Broek, Leiter des Business Segments „Health” von SCHOTT. Letzteres besitze nur eine sehr geringe Eigenfluoreszenz, was sich in einem ausgezeichneten Signal-Rausch-Verhältnis dokumentiere. Zusammen mit einer extrem ebenen Glasoberfläche, die Unregelmäßigkeiten beim Bedrucken und bei der Detektion weitgehend unterbinde, könne man somit die Ergebnisse von DNA- Microarray-Anwendungen zuverlässiger und fehlerfreier als bisher auswerten.

In der Pharma-Wirkstoffforschung ist man darauf bedacht, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse aller eingesetzter Technologien zu erhöhen. Denn die Zuverlässigkeit der initialen Daten ist für die pharmazeutische Industrie von großer wirtschaftlicher Bedeutung, denn schließlich müssen die aussichtsreichsten Wirkstoffkandidaten aus der Gesamtheit der Wirkstoffkandidaten selektiert werden. Je früher oder besser man mögliche „Flops” sicher aussortieren kann, desto effizienter kann die Medikamentenforschung gestaltet werden – unter dem Strich damit eine Kostenersparnis in Millionenhöhe verbunden sein.