Krankheiten gezielter entziffern

Die Bedeutung der Analyse der Proteinexpression

Proteine enthalten den Schlüssel zum Verständnis von Krankheiten wie Krebs und Autoimmunerkrankungen – und zu ihrer Heilung. Deshalb spielt die Analyse von Proteinen im Gewebe eine wichtige Rolle bei der Diagnose von Krankheiten. Ein seit 40 Jahren eingesetztes Verfahren ist die so genannte „Western Blot-Methode“.

Dabei werden Proteine aus Gewebeproben auf eine Trägermatrix übertragen und mithilfe eines elektrischen Feldes nach ihrer Masse sortiert. Die auf diese Weise vorsortierten Proteine werden über Nacht aus dem Gel auf eine stabilere Membran übertragen, wobei wiederum ein elektrisches Feld verwendet wird.

Später werden auf die Membran Antikörper aufgetragen, die an bestimmte Proteine andocken, und weitere, die auf Licht reagieren. So können die Konzentration, Zusammensetzung oder das Andockverhalten eines Proteins sichtbar gemacht werden, was beispielsweise Hinweise auf einen Tumor gibt.

Die Herausforderungen der Western Blotting-Methode

„Western Blotting wird heute auf der ganzen Welt in nahezu jedem biologischen Labor eingesetzt“, erklärt Kelly Gardner, Director of Marketing bei ProteinSimple. Ein Nachteil aber sind die vielen Einzelschritte wie das Vorbereiten, Sondieren, Inkubieren und Waschen. Für die Forscher oder das Laborpersonal sind sie umständlich und liefern keine detaillierten Ergebnisse.

„Western Blotting liefert lediglich Aussagen für die gesamte Probe, die aus bis zu 100.000 Zellen bestehen kann“, sagt Gardner. „Ob der so erhobene durchschnittliche Anteil bestimmter Proteine auch für die einzelnen Zellen oder Zelltypen in gemischten Proben zutrifft, darauf gibt die Western Blot-Methode keine Antwort.“ 

Aktuelle Forschungen haben jedoch gezeigt, dass gerade das heterogene Profil einer Probe grundlegende Informationen für das Verstehen von Gesundheit und Krankheit liefert.

Konventionelles Western neu gedacht

Ein Team um Professor Amy E. Herr vom Lehrstuhl für Bioengineering an der Universität von Kalifornien, dem auch Gardner angehörte, hat deshalb vor einigen Jahren eine Methode entwickelt, mit der sich auch die Proteine in einzelnen Zellen schnell analysieren lassen. Kernstück des Konzepts war ein Substrat aus Glas mit einer Gelschicht, mit dem rund 1.000 Zellen in einem einzigen Durchgang auf verschiedene Proteine getestet werden können, und ein Hochleistungsgerät, das diese Probe in gerade einmal vier bis sechs Stunden auswertet.

Eine Plattform, auf der man aufbauen kann

2013 fiel die Entscheidung, das Verfahren im Rahmen eines Startups, Zephyrus Biosciences, zu vermarkten. Zwei Jahre später wurde das junge Unternehmen von Bio-Techne übernommen, einer Holding für Biotech-Unternehmen mit Sitz in Minneapolis, die es in ProteinSimple integrierte. Dieser Geschäftsbereich befasst sich mit der Entwicklung von Geräten zur Proteinanalyse.

Inzwischen vermarktet ProteinSimple seine Single Cell Western Plattform unter dem Markennamen Milo. „Ich habe mir immer einen Hund namens Milo gewünscht“, erzählt Gardner lächelnd. „Jetzt steht der Name für einen neuen Trend in der Life-Science-Industrie.“

Wie die Milo Plattform funktioniert

Jedes Milo Kit für Wissenschaftler enthält Glassubstrate mit einer Gelschicht sowie eine Reihe von Pufferlösungen, die den Prozess unterstützen. Die einzelnen Zellen setzen sich in bis zu 6.400 kleinen Vertiefungen im Gel ab. Diese so genannten Mikrowells sind je nach Chip unterschiedlich groß und für das Auge kaum erkennbar.

„Die meisten bleiben leer, aber etwa 1.000 Zellen lassen sich in den Mikrowells nieder, jeweils eine pro Vertiefung“, sagt Gardner. Dies bedeutet auch, dass insgesamt weniger Gewebe für aussagekräftige Experimente benötigt wird.

Nachdem überschüssige Zellen abgewaschen wurden, wird das Substrat in den Milo gelegt, wo die Membran der verbliebenen Zellen aufgelöst und die Proteine mittels Elektrophorese in-situ getrennt und unter UV-Licht im Gel immobilisiert werden. Dieser Prozess dauert nur wenige Minuten und erspart den zeitaufwendigen Membrantransfer des herkömmlichen Verfahrens.

Um die Proteine sichtbar zu machen, können Forscher einfach die gleichen validierten Antikörper wie bei der Standard-Western-Methode verwenden und die verschiedenen Proteinkonzentrationen auf dem Substrat mit einem üblichen Microarray-Scanner auslesen. „Die Chips können bis zu neun Monate aufbewahrt werden, falls zu einem späteren Zeitpunkt weitere Untersuchungen stattfinden sollen“, sagt Gardner.

Eine perfekte Partnerschaft

Die Substrate – 75,6 mm x 25 mm groß und gerade einmal 1 Millimeter dünn – bestehen aus einem Glasträger mit einer hauchdünnen Oberflächenbeschichtung. Letztere spielt dabei eine Schlüsselrolle. Sie sorgt dafür, dass das Gel an Ort und Stelle bleibt, sodass die Mikrowells mit höchster Präzision geformt werden können – ein Prozess, den die Mitarbeiter von ProteinSimple perfektioniert haben.

Ganz zu Beginn habe man auch die Träger selbst produziert, berichtet Josh Molho, Director of Engineering bei ProteinSimple. Doch schon wenige Monate nach der Gründung fand man in Schott den idealen Partner.

„Nur wenn der Träger und die Beschichtung akkurat sind, können auch die Mikrowells präzise sein. SCHOTT hat eng mit uns zusammengearbeitet, um genau den Träger zu entwickeln, den wir brauchten. Und wir wussten, dass wir uns auch bei zunehmender Nachfrage auf Qualität und Kapazität verlassen können. Die langjährige Erfahrung bei Schott mit Spezialglas und Beschichtungen war für uns ein enormer Vorteil“, berichtet Molho. „Als Startup mussten wir schnell handeln. Wir brauchten Partner, die mit dieser Agilität umgehen können. Durch die Zusammenarbeit mit SCHOTT konnten wir uns auf unsere eigentliche Aufgabe konzentrieren, nämlich die weitere Vermarktung der Milo Plattform.“

Die Vorteile der Zusammenarbeit

Auch SCHOTT sieht in der Zusammenarbeit mit jungen Unternehmen wie Zephyrus Biosciences großes Potenzial. „Die Single Cell Western Technologie verspricht, einer der nächsten Trends im Bereich Diagnostics zu werden“, glaubt Spencer Perry, Sales Manager bei SCHOTT Nordamerika und Ansprechpartner für ProteinSimple. Biotech Startups spielen eine wesentliche Rolle beim Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse von der Forschung hin zum medizinischen Fortschritt. Und schließlich ist es Teil von SCHOTTs DNA, leidenschaftliche Forscher und Technologien voranzubringen.“

Dass Perry mit seiner Einschätzung richtig liegt, darauf deutet die bisherige Entwicklung von ProteinSimple hin. Die Milo-Plattform werde inzwischen von zahlrei-chen staatlichen und privaten Forschungsein-richtungen in den USA, Europa und Asien ge-nutzt, berichtet Marketing-Leiterin Gardner, schwerpunktmäßig in der Krebs- und Stammzel-lenforschung sowie der Immunologie. Und in jüngster Zeit wurden in etlichen renommierten Fachzeitschriften Studienergebnisse veröffentlicht, die mithilfe des Single-Cell Western Analyse erzielt wurden, auch im Wissenschaftsmagazin „„ Nature“, das als eine der weltweit angesehensten Zeitschriften für Naturwissenschaften gilt.

Proteine – Bausteine des Lebens

Proteine finden sich in jeder Zelle und sind an zahlreichen Abläufen in unserem Körper beteiligt: Sie ziehen gegen Infekte ins Feld, bilden das Baumaterial für unseren Körper und sorgen in unseren Muskeln dafür, dass wir uns bewegen können. Sie helfen außerdem beim Transport lebenswichtiger Substanzen wie Sauerstoff und Eisen im Blut und leiten als Hormone Befehle aus dem Gehirn an den Rest des Körpers weiter.

Wie die Proteine aufgebaut sind, ist in unserer DNA (Desoxyribonukleinsäure) festgelegt und wird mittels RNA (Ribonukleinsäure) an die Zelle übermittelt. Ist die DNA der Bauplan, so sind Proteine einer der wichtigsten Bausteine des Lebens – und manchmal auch des Todes. Denn Mutationen können die Aktivität der Proteine verändern. Erhöhte Konzentrationen von Proteinen weisen unter Umständen auf eine Krankheit hin. So wurde beispielsweise bei vielen Tumoren eine erhöhte Konzentration des Proteins p53 festgestellt

Verwendete Materialien & ähnliche Produkte

Erfahren Sie mehr über NEXTERION® und entdecken Sie unser Angebot an verwandten Produkten. 

Als Bestandteil von SCHOTT MINIFAB eignet sich das einzigartige Portfolio mit Borosilicatglassubstraten, bekannt als NEXTERION®, ideal für eine Vielzahl von DNA-, Protein- und Zellanwendungen. NEXTERION® ist mit einer Reihe verschiedener funktionaler Beschichtungen erhältlich, von Epoxidsilan für Peptide und Antikörper bis hin zu Aminosilan für Oligonukleotide. Es wird für eine Reihe diagnostischer und biowissenschaftlicher Anwendungen verwendet und ist auf Anfrage in hohem Maße individuell anpassbar.