Mehr Effizienz durch automatisierte Aufreinigung

Voraussetzung für die PCR-Reaktion und die Laborauswertung ist die saubere Isolierung der Erbsubstanz aus dem Rachen-Nasen-Abstrich. Dabei muss die enthaltene Erbsubstanz zunächst separiert, von Verunreinigungen befreit und aufkonzentriert werden. Ein mögliches Verfahren dafür ist die Separation mit magnetischen Beads. Hierfür werden speziell beschichtete, kleine Magnetpartikel verwendet, die die RNA binden. Aus der Ausgangslösung wird nur die RNA von den Magnetpartikeln gebunden, die Verunreinigungen bleiben hingegen in der Lösung. Anschließend müssen die Magnetpartikel mit der gebundenen RNA separiert und mehrfach durch spezielle Pufferlösungen gewaschen werden. Eine Erfindung von Prof. Matthias Franzreb und Jonas Wohlgemuth, beide vom Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT, macht den Teilprozess der Abtrennung der Magnetpartikel bei den unterschiedlichen Prozessstufen der Aufreinigung deutlich effizienter.

Das Karlsruher Prinzip setzt auf die Separation von Magnetpartikeln mittels spezieller, magnetisierbarer Metallstäbe, deren magnetische Anziehungskraft sich von außen einfach an- und ausschalten lässt. Damit lässt sich die gebundene RNA für den Aufreinigungsschritt in ein neues Gefäß überführen, um dort nach Abschaltung der magnetischen Kraft durch Rotation der Metallstäbe, vergleichbar mit kleinen Rührern, die Erbgut-Bruchstücke wieder zu verteilen. „Der ganze Vorgang erfolgt vollautomatisch und zwar nicht nur mit einem Stab, sondern mit einer Anordnung von 96 Stäben gleichzeitig. Ein einzelnes Instrument kann so mit unserem Prinzip und der Chemie von PerkinElmer chemagen an einem Arbeitstag aus mehr als 4000 Proben die vorhandene Erbsubstanz isolieren und aufkonzentrieren“, macht der Erfinder Wohlgemuth deutlich. Das Prinzip zur Manipulation und Wiederverteilung der Partikel erlaubt eine reproduzierbare und selbstständig ablaufende Aufreinigungsprozedur, die in den chemagic™ Systemen von PerkinElmer chemagen integriert ist.

In Kooperation zum Produkt

Bereits in den 2000ern meldete das KIT das Verfahren zur automatisierten Handhabung magnetischer Mikropartikel zum Patent an. „Die Effizienz unseres Verfahrens überzeugte sehr rasch auch die Firma chemagen, die sich die Nutzungsrechte vom KIT sicherte“, erinnert sich Miterfinder Prof. Franzreb. Es gelang chemagen, das Verfahren zu parallelisieren, weiter zu beschleunigen und für die Labordiagnostik zu optimieren, sodass das Biotechnologie-Unternehmen das am KIT entwickelte Prinzip in ihren „chemagic™“-Systemen auf den Markt brachte. Die entwickelten Geräte waren mit der von PerkinElmer chemagen entwickelten Chemie schnell erfolgreich und haben sich als ein weltweit genutztes System zur Isolierung von Nukleinsäuren aus verschiedensten Proben (Blut, Speichel, Abstriche, Plasma, Serum) etabliert. Im Jahr 2011 wurde chemagen von der Firma PerkinElmer, Inc. aufgekauft und mit ihr auch die Lizenz. Durch die Pandemie ist die Nachfrage nach Systemen für die Probenvorbereitung enorm gestiegen. In 2020 wurden über 900 chemagic™ 360 Instrumente weltweit verkauft und der Marktanteil an der Probenvorbereitung in Deutschland lag bei ca. 25 Prozent.

Forschung für die Zukunft

Für Prof. Christof Wöll, Institutsleiter am IFG, steht der Nutzen außer Frage: „Neue Technologien kommen bei neuen Herausforderungen besonders zum Tragen. Corona hat weitreichende Folgen für die gesamte Gesellschaft. Deshalb fordert die aktuelle Situation besonders effiziente Lösungen. Die hohe Nachfrage beschert dem KIT dadurch auch beträchtliche Lizenzeinnahmen, die in weitere Lösungen reinvestiert werden können.“ Die Weiterentwicklung des Verfahrens zur Separation magnetischer Partikel ist nicht zuletzt aufgrund der aktuellen Herausforderungen weiterhin ein zentrales Ziel der Forschung am IFG. Die Forscher am KIT arbeiten daran, die Menge der benötigten chemischen Reagenzien weiter zu reduzieren und das Verfahren weiter zu beschleunigen. Dabei spielt die Simulation von Materialeigenschaften im Joint Laboratory Virtual Materials Design (VMD) eine zentrale Rolle, an dem sich das KIT im Rahmen des Helmholtz-Programms Materials Systems Engineering (MSE) beteiligt.