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Krankheiten gezielter entziffern

Die Analyse von Proteinen in Gewebe wird immer häufiger eingesetzt, um Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln. Ein innovatives Verfahren ermöglicht es Wissenschaftlern nun, Proteine sogar in einzelnen Zellen schnell und einfach nachzuweisen. Dank Substraten mit einer speziellen Beschichtung von SCHOTT Nexterion kann die Methode ihr volles Potenzial entfalten. Ihr Name: Single Cell Western.

Die Analyse von Proteinen in Gewebe wird immer häufiger eingesetzt, um Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln. Ein innovatives Verfahren ermöglicht es Wissenschaftlern nun, Proteine sogar in einzelnen Zellen schnell und einfach nachzuweisen. Dank Substraten mit einer speziellen Beschichtung von SCHOTT Nexterion kann die Methode ihr volles Potenzial entfalten. Ihr Name: Single Cell Western.

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 sogenannte „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.

„Western Blotting wird heute auf der ganzen Welt in nahezu jedem biologischen Labor eingesetzt“, erklärt Kelly Gardner, Director Marketing bei ProteinSimple. Der Nachteil: Die verschiedenen Schritte aus vorbereiten, sondieren, inkubieren und waschen sind für das Forschungs- oder Laborpersonal umständlich und bieten keine detaillierten Ergebnisse. „Western Blotting liefert lediglich Aussagen für die gesamte Probe, die aus bis zu 100.000 Zellen bestehen kann“, so Gardner. Ob der so erhobene durchschnittliche Anteil bestimmter Proteine auch für die einzelne Zellen oder Zelltypen in Proben unterschiedlicher Gewebetypen zutrifft, darauf gibt die Western Blot-Methode keine Antwort. Aktuelle Forschungen haben jedoch gezeigt, dass gerade das heterogene Profil einer Probe fundamentale Informationen für das Verstehen von Gesundheit und Krankheit liefert.

ProteinSimple und SCHOTT begannen ihre Zusammenarbeit 2015, um ein beschichtetes Substrat zu entwickeln, das optimal für die Verarbeitung in Geräten zur Proteinanalyse geeignet ist. Von links nach rechts: Kelly Gardner, Eric Jabart (beide von ProteinSimple) und Spencer Perry (SCHOTT Nordamerika). Foto: Jens Pussel
Ein speziell beschichtetes Substrat ist ein wesentlicher Bestandteil der Ausrüstung für die Proteinanalyse. Foto: SCHOTT

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. Hauptbestandteile: Ein Substrat aus Glas mit einer Gelschicht, mit dem rund 1.000 einzelne Zellen in einem Durchgang auf verschiedene Proteine getestet werden können, und ein Hochleistungsgerät, das diese Probe in gerade einmal vier bis sechs Stunden auswertet.

„Mit diesem Single Cell Western Verfahren (oder sc western) können Wissenschaftler feststellen, welche Zelle für einen Tumor verantwortlich ist und wie sie sich verhält“, beschreibt Gardner. 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 – jener Sparte, die sich mit der Entwicklung von Geräten zur Proteinanalyse befasst. Inzwischen vermarktet ProteinSimple seine Single-Cell Western Plattform unter dem Markennamen Milo. ,,Ich habe mir immer einen Hund namens Milo gewünscht,‘‘ erklärt Gardner die Namensgebung mit einem Zwinkern. ,,Jetzt steht der Name für einen neuen Trend in der Life-Science-Industrie.‘‘

ProteinSimple's Milo™ ist die weltweit erste Single-Cell Western Plattform. Sie wertet in einem einzigen Durchlauf für tausende einzelner Zellen den jeweiligen Anteil bestimmter Proteine aus. Foto: Jens Pussel
Dank der Milo Plattform können Forscher schnell und einfach die Proteine in einzelnen Zellen analysieren. Foto: Jens Pussel

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 kleinen Vertiefungen im Gel ab. Diese bis zu 6.400 sogenannten Microwells 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 Microwells 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 das Milo Gerät 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. Ein Zusatznutzen: „Die Chips können bis zu neun Monate archiviert werden, falls zu einem späteren Zeitpunkt weitere Untersuchungen stattfinden sollen“, sagt Gardner.

Das Milo Kit für Forscher enthält Glassubstrate mit einer hauchdünnen Beschichtung. Foto: Jens Pussel
In den bis zu 6.400 winzigen Vertiefung der Gelbeschichtung können sich die einzelnen Zellen absetzen. Foto: Jens Pussel

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 Engineering bei ProteinSimple. Doch schon wenige Monate nach der Gründung fand man mit Schott den idealen Partner. „Nur wenn der Träger und die Beschichtung akkurat sind, können auch die Mikrowells akkurat 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, die weitere Vermarktung der Milo-Plattform.“

Doch 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 Schott Nordamerika und Ansprechpartner für Protein-Simple. „Biotech Startups spielen eine wesentliche Rolle beim Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse von der Forschung hin zum medizinischen Fortschritt . Und schließlich ist es Teil von Schott’s 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 zahlreichen staatlichen und privaten Forschungseinrichtungen in den USA, Europa und Asien genutzt, berichtet Marketing-Leiterin Gardner, schwerpunktmäßig in der Krebs- und Stammzellenforschung sowie der Immunologie. Und in jüngster Zeit wurden in etlichen renommierten Fachzeitschriften Studienergebnisse veröffentlicht, die mithilfe des Single-Cell Western erzielt wurden, darunter das 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 Treibstoffe wie Sauerstoff und Eisen im Blut und leiten als Hormone Befehle aus dem Gehirn an den Rest des Körpers weiter. Wie sie aufgebaut sind, ist in unserer DNA (Desoxyribonukleinsäure) festgehalten 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 bei vielen Tumoren eine erhöhte Konzentration des Proteins p53 festgestellt.

Um die Proteine sichtbar zu machen, können Forscher die verschiedenen Proteinkonzentrationen auf dem Chip mit einem üblichen Microarray-Scanner auslesen. Foto: Jens Pussel

16. April 2019

Kontakt

Karola Koban
Home Tech
SCHOTT Technical
Glass Solutions GmbH

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