DiaCHIP: Wir machen Dr. House arbeitslos

Wenn man krank ist, möchte man meist einfach nur zuhause sein, nichts tun und möglichst schnell wieder auf die Beine kommen. Doch da oft niemand weiß, was einem eigentlich fehlt, rennt man stattdessen genervt von einem Arztbesuch zum nächsten.

Kommt Ihnen diese Situation bekannt vor? Dann sollten Sie sich diesen Artikel genauer ansehen. Wir, das diesjährige iGEM Team der Universität Freiburg, arbeiten an der Entwicklung einer diagnostischen Methode, mit der man das Blutserum einer Patientin oder eines Patienten in nur einem einzigen Test auf Marker der unterschiedlichsten Krankheiten gleichzeitig untersuchen kann.

An diesem Projekt arbeiten wir im Rahmen des iGEM (international Genetically Engineered Machine) Wettbewerbs. Dies ist ein internationaler Forschungswettbewerb im Bereich der synthetischen Biologie, der 2003 erstmals vom MIT (Massachusetts Institute of Technology) ausgerichtet wurde. Seit 2007 nahm jährlich ein Team der Albert-Ludwigs-Universität am Wettbewerb teil und es gab auf Seiten der Freiburger immer wieder Erfolge und Auszeichnungen zu feiern. Unser Ziel ist es, diese Erfolgsserie fortzusetzen und Ende September auf der Abschlusskonferenz in Boston überzeugende Forschungsergebnisse zu präsentieren.

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Unser diesjähriges iGEM Team

Seit Januar treffen wir uns deshalb wöchentlich und zu Beginn jagte eine kreative Idee, mit der wir die Welt verbessern könnten, die nächste. Schnell wurden uns dabei die Vorteile unserer interdisziplinären Zusammensetzung bewusst. Insgesamt arbeiten 19 Studienende aus den Fachrichtungen Biologie, Chemie, Physik, Medizin und Informatik zusammen, wodurch wir auf eine beachtliche Bandbreite an Fachwissen zurückgreifen können – sowohl in der Theorie als auch in der Praxis.

Was dabei heraus kam, ist die Idee für ein sehr ambitioniertes Projekt, mit dem wir die medizinische Diagnostik weiterentwickeln wollen. Anhand eines einzigen Tests soll dann die Diagnose zahlreicher Krankheiten auf einmal möglich sein.

Unsere Methode beruht auf dem gut etablierten Prinzip, die Interaktion von Antikörpern im Blut des Patienten mit spezifischen Krankheitsmarkern, den sogenannten Antigenen, nachzuweisen. Bisher muss für den Nachweis jeder Krankheit ein separater Test durchgeführt werden. Wir wollen für diesen Nachweis ein Proteinmikroarray entwerfen, auf dem die Antigene für viele Krankheiten nebeneinander immobilisiert sind, sodass auf alle zugehörigen Krankheiten gleichzeitig getestet werden kann. Bis heute stellt die Herstellung solcher proteinbasierter Mikroarrays eine große Herausforderung dar, da jedes Protein einzeln exprimiert und nacheinander auf die Oberfläche gebracht werden muss. Außerdem ist die Lagerung von Proteinmikroarrays kompliziert, was sie für eine diagnostische Methode, die in jeder Arztpraxis verfügbar sein sollte, unbrauchbar macht.

An diesem Punkt kommen wir ins Spiel. Mithilfe unseres Systems kann ein Proteinmikroarray auf Grundlage einer DNA-Vorlage nach Bedarf hergestellt werden. Dazu werden die Vorlage, also ein Mikroarray mit den DNA-Sequenzen der Antigene, und ein speziell aktivierter Objektträger in einem mikrofluidischen System übereinander gelegt. Dieses System ermöglicht, dass zwischen den beiden Arrays ein Mix zur zellfreien Proteinherstellung gepumpt werden kann. Darin ist alles enthalten, was benötigt wird, um die Transkription sowie die Translation der am DNA-Array befestigten Sequenzen durchzuführen. Die neu synthetisierten Proteine gelangen durch Diffusion auf die gegenüberliegende Seite, dem zukünftigen Proteinchip, und binden über einen speziellen, zur Oberfläche des Objektträgers passenden Tag an diesen. Aufgrund des geringen Abstands von nur 30 µm zwischen den Oberflächen, können die Proteine auf den zweiten Objekträger kopiert werden, ohne dass es zu einer Vermischung der Antigene aufgrund eines zu großen Diffusionsradius kommt.

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Funktionsprinzip des DiaCHIPs: Durch zellfreie Expression wird die DNA-Vorlage (oben) zu einem Proteinmikroarray kopiert. Mittels iRIf (imaging Reflectometric Interference) wird dann die Bindung von Antikörpern detektiert und in einem Array abgebildet.

 

Nach der Herstellung dieses Proteinmikroarrays kann der gleiche mikrofluidische Aufbau verwendet werden, um die Probe des Patienten über den Chip zu spülen. Während dieses Schrittes binden die potenziell im Blut des Patienten vorhandenen Antikörper an das korrespondierende Antigen. Der Nachweis der Bindung an ein bestimmtes Antigen bedeutet, dass der Patient von dem entsprechenden Pathogen infiziert ist.

Im Gegensatz zu bisherigen Methoden erfolgt die Detektion der Bindung, ohne dass eine weitere Markierung, wie beispielsweise ein fluoreszenter Farbstoff, benötigt wird. Die iRIf (imaging Reflectometric Interference) Technologie ermöglicht den Nachweis der Bindung anhand der daraus resultierenden, veränderten Schichtdicke des Chips. Dies führt zur Interferenz reflektierter Lichtstrahlen, wodurch ein Muster unterschiedlicher Lichtintensitäten entsteht, das mit einer einfachen Kamera abgebildet werden kann. Aus dem abgebildeten Array kann dann auf die Art des Pathogens, gegen welches das Immunsystem des Patienten Antikörper gebildet hat, geschlossen werden.

Es handelt sich beim DiaCHIP also um eine schnelle und kostengünstige Methode zur Detektion unterschiedlichster Krankheiten in einem einzigen Test. Dafür sind neben der klassischen Diagnostik zahlreiche weitere Anwendungen denkbar. Man kann den DiaCHIP verwenden, um gespendetes Blut schnell und einfach auf Infektionen zu untersuchen. Außerdem könnte eine angepasste Variante des DiaCHIPs eine neue Möglichkeit darstellen, die immunogenen Faktoren neuer Pathogene zu finden, um die Impfstoffentwicklung zu beschleunigen.

Trotz der Unterstützung von Seiten des BIOSS können wir weiterhin jede Hilfe gebrauchen, um weiterhin erfolgreich an unserem Projekt arbeiten zu können. Falls Sie uns unterstützen möchten, können Sie sich per Crowdfunding am Projekt beteiligen. Für mehr Informationen zu unserem Projekt, dem aktuellen Stand der Dinge und über unser gesamtes Team, können Sie auch gerne unsere Homepage besuchen und unsere weiteren Blogeinträge verfolgen.

 

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iGEM-Team: Die iGEM Competition ist ein internationaler Wettbewerb in der synthetischen Biologie, bei dem 280 Teams eigens erarbeitete Projekte planen, durchführen und Ende September auf einer Abschlusskonferenz am MIT in Boston vorstellen.

Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Dr. House diagnostiziert nicht nur Infektionen wie das ihr Chip scheinbar tut. So wie ich das Funktionsprinzip verstanden haben, weist ihr Chip Antikörper im Blut der Patientin nach, indem er die Reaktion der Antikörper mit ausgewählten Proteinen sichtbar macht.
    Da Antikörper vor allem bei Infektionskrankheiten produziert werden können sie also nachweisen, gegen welche Bakterien, Viren und Pilze der Patient Antikörper gebildet hat. Auch Autoimmunerkrankungen lassen sich damit nachweisen. Das ist aber schon alles. Eine Leber- oder Herzerkrankung können sie mit dieser Methode nicht nachweisen.

    Was natürlich den Fortschritt nicht schmälert, den ein solcher Chip oder Assay mit sich bringt.
    Vom Star Trek – Tricorder für medizinische Diagnosen sind wir damit aber noch weit entfernt, Zitat:

    The medical tricorder is used by doctors to help diagnose diseases and collect bodily information about a patient;

  2. Guten Tag Herr Holzherr,

    vielen Dank für Ihren Kommentar.

    Es ist uns natürlich bewusst, dass wir im Rahmen eines solchen Projektes, für das wir als Studierende selbst verantwortlich sind und an dem wir einen Sommer lang arbeiten, nicht alle medizinischen Probleme dieser Welt auf einen Schlag lösen können. Nichtsdestotrotz sind wir fest davon überzeugt, dass der DiaCHIP sehr vielen Menschen helfen kann, die auf eine schnelle Diagnose angewiesen sind.

    Außerdem kann der DiaCHIP in Zukunft noch deutlich erweitert werden. Prinzipiell ist mit diesem System der Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen jeglicher Art möglich. Das heißt, wenn passende Interaktionspartner bekannt sind, können auch andere Krankheitsmarker im Blut von PatientInnen nachgewiesen werden.

    Bis dorthin ist es noch ein weiter Weg, doch wir hoffen mit unserer Arbeit dazu beitragen zu können, dass dies eines Tages wirklich möglich ist.

  3. Liebes iGEM-Team,

    Gute Idee und ein spannend klingender Ansatz. Zwei Fragen:

    1. Es gibt low-responder und “Serumnarben”. Wie quantifizieren Sie Ihre Ergebnisse und woran ermitteln Sie Ihren Cutoff? Ist es ein Cutoff für alle Messparameter?

    2. Differenziert der Diachip zwischen den Immunglobulinklassen, die bei der Abschätzung von Infektionsstadien hilfreich sind? Wenn ja, wie?

  4. Lieber Herr Hendrik Borucki,

    cut-offs sind noch ein wichtiger Punkt,d er langfrstig ermittelt werden muss. AUch ist die blosse Anwesenheit von Antikörpern ja auch kein Nachweis für Protektivität. Hier müssen wir wohl auf “Normalwerte” zurückgreifen. Durch implementierte Kontrollen soll aber abgeschätzt werden, ob wir entsprechende Low-Responder haben.

    Ebenso zur Differenzierung, ein Thema das wir intern diskutieren ;). Grundsätzlich ja. Da wir label-frei arbeiten, wird man zunächst nur sehen ist etwas da oder nicht, allerdings kann man dann durch weitere Inkubationen (Anti-IgG oder Anti-IgM-Antibodies) direkt anch der Blutserum-Messung npchmals untergruppieren, um zu sehen ob es akut oder schon langfristig besteht. Auch hier gibt es bisher keine umfassenden Referenzwerte. Wahrscheinlich müssen wir das mit aufbauen.

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