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Kunststoff-Know how: Basis für Lab-on-Chips zur Zielgen-Anreicherung

Bereits vor zwei Jahren berichtete RainDance Technologies Inc. von einem skalierbaren Multiplex-PCR-Verfahren auf Basis seiner Mikrotröpfchen-Technologie, mit dem sich interessierende genomische Regionen vor Sequenzierung gezielt anreichern lassen (vgl. LABORWELT 3/2009). Dank dem Fertigungs-Know-how von Sony DADC steht nach zweijähriger Kooperation jetzt ein hochdurchsatzfähiger Chip zur Verfügung, der einen wirtschaftlichen Einsatz der Next Generation-Sequenzierung zur Untersuchung von krankheitsassoziierten Genen, SNPs, chromosomaler Hot Spots etc, ermöglicht. Neben der Targetgen-Anreicherung soll der Chip künftig auch zur Zellsortierung eingesetzt werden. RainDance nimmt durch die von Sony DADC produzierten „Smart Consumables” erfolgreich am Wettbewerb um den Hochdurchsatz-Markt für Life Sciences-Instrumente teil.

Die auf Mikro-Tröpfchen basierende, „high-throughput“-fähige Kerntechnologie von RainDance, RainStormTM, erzeugt Millionen aufeinanderfolgender Tröpfchen, die als distinkte Reaktionsräume fungieren und ein einzelnes Molekül, eine Zelle oder eine Reaktion umschließen können (Abb. 2). Bei der Targetgen-Anreicherung fungiert jedes Tröpfchen als Reaktionsraum, in dem genomische DNA auf ein Primerpaar trifft und mittels PCR amplifiziert wird. Dazu werden auf einem Mikrofluid-Chip zunächst Tröpfchen erzeugt, je ein Tröpfchen mit genomischer DNA und mit Primer zusammengeführt, fusioniert und die Tröpfchen in PCR-Röhrchen gesammelt.  Nach hochparalleler PCR in den Millionen Tropfen können die gezielt angereicherten DNA-Abschnitte sequenziert werden (vgl. Abb. 1).

Das Flagschiff von RainDance ist das RDT ThunderStorm System – eine vollautomatisierte Instrumenten-Plattform für das gezielte Next-Generation-Sequenzierung, die kompatibel mit allen marktgängigen Sequenzern ist und eine genaue Klassifizierung potentiell aller Varianten in jeder Regionen eines Genoms ermöglicht. Dies ist zum Beispiel bei der Erkennung von krebsassoziierter Mutationen hilfreich. Herzstück des ThunderStorm ist der HeatWaveTM TS-Probenchip (Abb. 2). Entwickelt und produziert von Sony DADC ermöglicht dieses „Smart Consumable“ die äußerst präzisen Mikro-Tröpfchen-Manipulationen, die für Hochdurchsatz-Analyse benötigt werden. Der Chip kommt dabei ohne bewegliche Teile oder Ventile aus.

Kombination von Fertigungs-und Assay-Know how

RainDance trat erstmals 2009 an Sony DADC heran, als das Unternehmen mit der Herausforderung konfrontiert war, einen funktionierenden Prototypen aus PDMS in ein robustes „high-throughput“-Einwegprodukt für die Massenfertigung zu transformieren. Der nur einmalige Gebrauch des Chips war eine essentielle Voraussetzung, um eventuelle Probenkontaminationen – eine große Gefahr bei Genanalysen – auszuschließen. Besonders attraktiv für RainDance war dabei Sony DADCs anerkannte Fähigkeit, mikrofluidische Kanäle in kostengünstigem Kunststoff anstatt in teuren metallischen oder keramischen Chips fertigen zu können – Schlüsselaspekt für die tatsächliche Kosteneffizienz bei der Produktion und damit für die Massentauglichkeit des Systems.

Das Produkt sollte den gesamten biochemischen Workflow (Abb. 2) abdecken: Einbringen der gereinigten genomischen DNA, Verpackung in Tröpfchen und anschließende Fusion mit „Master-Mix“-Tröpfchen einer Primer-Bibliothek, um diese für anschließende PCR-Reaktionen einzusetzen (vgl. Abb. 2). Dies war eine nicht zu unterschätzende Herausforderung, denn schon der Prototyp des Chips war komplex: mit Filterstruktur, Kanälen und Elektroden. Zuerst lösten stellten die Designer von Sony DADC sicher, dass die mikrofluidischen Kanäle während des Bonding-Prozesses nicht zerstört werden und ihr Durchmesser präzise innerhalb des engen Toleranzbereiches liegt, der ein reproduzierbares Tröpfchenvolumen garantiert (± 1%). 

Des Weiteren war es notwendig, die Elektroden genau positioniert zu drucken, um exakt definierte Tröpfchenfusionen zu induzieren. Mitentscheidend für die Fertigung eines massentauglichen Chip war, dass Sony DADC die gesamte Wertschöpfungskette abdecken kann – von Mastering zu Spritzguss, inklusive Elektrodendruck, Verklebung und Assemblierung sowie Etikettierung, Verpackung und Logistik. Ein weiterer Faktor war es, eine langfristige Zusammenarbeit sicherstellen zu können, wie für Sony DADC als weltweit führenden Produzenten möglich.

Die von Sony DADC produzierte Version des HeatWaveTM-Chips erhielt bei seiner Markteinführung im Herbst 2011 das Lob der Kritiker und unterstützt alle kommerziellen Anwendungen des RDT ThunderStorm-Systems. Dies schließt sowohl die „targeted ultra-deep cancer mutation detection” als auch die firmeneigenen Screening-Panels für Genanalysen mit ein: ADMESeq™, ASDSeq™, XSeq™ und HLASeq™.

Aufgrund des rapiden Fortschritts der Genomforschung war RainDance von Beginn an interessiert, einen Chip anzubieten, der gleichzeitig zwei Proben analysieren kann. Sony DADC hat dies ermöglicht: Der HeatWaveTM TS Chip wird im zweiten Quartal 2012 in die Massenproduktion gehen. Dank seiner Stapelbarkeit (Abb. 2) und der Möglichkeit der vollautomatisierten Probenbeladung verspricht der neue Chip, die Produktivität auf ein bis dato unbekanntes Niveau zu heben und ermöglicht es Wissenschaftlern so, die Analysenkosten pro Probe zu senken und den Personalaufwand – verglichen mit anderen Methoden – deutlich zu reduzieren.

Roch Kelly, Senior Vice President Operations bei RainDance, zeigt sich mit der Zusammenarbeit hochzufrieden: „Dank den zahlreichen Vorteilen des von Sony DADC produzierten neuen HeatWave TS Chips können unsere Kunden ihre Proben schneller, einfacher und weitaus kostengünstiger als jemals zuvor analysieren. Sony DADC ist ein erstklassiger Zulieferer, der auf jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen der Fertigung optischer Disks und regulierte Märkte zurückgreifen kann und somit eine wertvolle Quelle für zukünftige Produkte im Bereich „Smart Consumables“ darstellt. 

Laut Christoph Mauracher, Senior Vice President bei Sony DADC BioSciences, belegt die Zusammenarbeit mit RainDance, dass Sony DADC ein Schlüsselpartner für führende Life Sciences-Unternehmen weltweit sein kann. „Wir glauben, dass unsere Fähigkeit, hochentwickelte Mikrostrukturen in Polymeren herstellen zu können, kombiniert mit flexibler Produktion und Logistik exakt die Kombination liefert, wie sie von aufstrebenden und etablierten Unternehmen in diesem aufregendem Markt benötigt werden.“ 

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Heft 1/2012

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http://www.laborwelt.de/spezialthemen/dna-enrichment/lab-on-chips.html

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