211service.com
DNA-chip geeft positieve ID
De afgelopen vijf jaar zijn DNA-chips een krachtig onderzoeksinstrument geweest dat veelbelovend is voor toekomstig gebruik in klinische omgevingen. Deze minuscule silicium- of glasoppervlakken, bedekt met duizenden DNA-fragmenten, worden door onderzoekers gebruikt om genen in DNA-monsters te ontdekken. Maar nog steeds ongrijpbaar is de heilige graal van deze technologie: een enkel, volledig geautomatiseerd handheld-apparaat, of lab op een chip, dat onmiddellijk DNA kan analyseren uit een enkele haarlok of een druppel bloed.
Een bedrijf dat een grote stap in die richting heeft gezet, is het in San Diego gevestigde Nanogen. Zijn NanoChip is momenteel de enige DNA-chip op de markt die gebruik maakt van microfluïdica - het kanaliseren van vloeistoffen op een chipoppervlak - en elektronische signalering om genvarianten en mutaties nauwkeuriger te identificeren. Dit kan leiden tot een nauwkeurigere detectie van pathogenen, micro-organismen of subtypes van genetisch gebaseerde ziekten.
Ontmoeten en matchen
Alle DNA-chips zijn gebaseerd op een inherente eigenschap van DNA: wanneer de bekende dubbele helix in tweeën wordt gesplitst, zal elk stukje DNA proberen opnieuw verbinding te maken met een ander, complementair stuk - een proces dat hybridisatie wordt genoemd.
Het oppervlak van conventionele DNA-chips, zoals die geproduceerd door biochipgigant Affymetrix, is meestal bedekt met tienduizenden DNA-strengen, probes genaamd. In een typische toepassing worden genen van bijvoorbeeld een kankertumor gelabeld met een fluorescerende kleurstof en aangebracht op het oppervlak van de chip. Degenen die overeenkomen, binden aan de sondes en de rest wordt weggewassen. De fluorescerende markers, gelezen met een scanner, stellen onderzoekers in staat om de DNA-sequenties te identificeren die de gebonden genen vormen. Dit proces kan tot drie uur duren.
In veel gevallen kan de binding van het monstergen en de bijbehorende probe echter een mismatch van een of twee basenletters (de bouwstenen van DNA) verbergen. Voor de meeste doeleinden is deze mate van precisie voldoende, omdat het onderzoekers in staat stelt om met vertrouwen genen of genfamilies te identificeren.
Maar wanneer onderzoekers de exacte genvariant moeten identificeren - om bijvoorbeeld onderscheid te maken tussen verschillende subtypes van een ziekte - kunnen een of twee letters het verschil spellen.
elektrische stroom
Nanogen hoopt dat de NanoChip in deze behoefte zal voorzien. Het is gespecialiseerder dan conventionele DNA-chips en gebruikt microfluïdica, elektronica en een knap staaltje reverse engineering om tot een perfecte match te komen.
Binnen de chip leidt een reeks microfluïdische kanalen naar een centrale kern met 99 testlocaties, die elk onafhankelijk kunnen worden bestuurd met een elektrische lading. Terwijl standaard DNA-chips zijn uitgerust met sondes, wordt de NanoChip-cartridge blanco geleverd en moet deze worden aangepast. Om de chip voor te bereiden, worden DNA-sondes in de microfluïdische kanalen geplaatst en wordt een elektrische lading aangebracht op de testplaatsen die de sondes zullen bevatten. Omdat DNA een inherente negatieve lading bevat, worden de sondes door de kanalen naar de gewenste locaties getrokken.
Een elektrische lading versnelt ook het hybridisatieproces en trekt genmonsters naar de sondes. Na hybridisatie wordt de elektrische lading omgekeerd. Alleen perfect op elkaar afgestemde voorbeelden blijven over en de uitvoer wordt vervolgens gelezen op een aangepast desktopwerkstation. Het hele proces duurt ongeveer 15 minuten.
Tot nu toe heeft het een nauwkeurigheid van 100 procent opgeleverd, zegt Paolo Fortina, een onderzoeker in het Children's Hospital in Philadelphia, die de NanoChip al bijna een jaar gebruikt, voornamelijk om de resultaten van een DNA-sequencer te valideren. Onlangs gebruikte hij de NanoChip bij een onderzoek naar genvarianten en hart- en vaatziekten.
Andere platforms
In een veld dat rijk is aan experimenten, streven ook andere biotechbedrijven naar succes met hun eigen benaderingen voor de constructie van DNA-chips.
Motorola's eSensor-groep - waarmee Nanogen onlangs een octrooigeschil over moleculaire detectiemethoden heeft beslecht - is van plan dit najaar met een eigen DNA-chip op de markt te komen. De chip van Motorola gebruikt elektronica niet om de snelheid en precisie te verhogen, maar om gehybridiseerd DNA te identificeren zonder fluorescentie. De eSensor-chip bevat sondes die zijn gelabeld met een elektronische tag. Zodra hybridisatie plaatsvindt, wordt een spanning op de chip aangelegd, waardoor de gehybridiseerde sondes een signaal afgeven.
HandyLab, een spin-off van de Universiteit van Michigan, werkt aan een op microfluïdische gebaseerde DNA-chip, waarvan ze hopen dat deze zal worden goedgekeurd voor klinisch gebruik. Net als Nanogen gebruikt HandyLab elektronische signalen om de vloeistoffen te manipuleren. Maar in plaats van gebruik te maken van de inherente negatieve lading in het DNA zelf, experimenteert HandyLab met thermische pneumatiek - het elektrisch opwarmen van kleine luchtbellen om de vloeistof voort te stuwen en vervolgens de stroom chemisch te regelen. HandyLab voorspelt klinische proeven van zijn product in 2003.
Orchid Biosciences, gevestigd in Princeton, NJ, ontwikkelt een biochipplatform dat bestaat uit een meerlagig microfluïdisch circuit voor het detecteren van genvarianten en mutaties. Orchid hoopt dit zeer parallelle platform tegen 2003 in hun productlijn op te nemen.