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Technologie des KIT kommt bei Corona-Tests zum Einsatz

PCR-Tests bestimmen seit Beginn der Pandemie den Laboralltag. Das Testverfahren weist bei einer Infektion mit Covid-19 das Erbgut des SARS-CoV-2-Virus beim Patienten nach. Bei der Separation der Virus-RNA aus einem Rachen-Nasen-Abstrich kommt eine Technologie zur Handhabung magnetischer Mikropartikel des KIT zum Einsatz. Diese Technologie findet bei den kommerziellen Laborsystemen der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH vielfachen Einsatz.

Für den PCR-Test wird ein Abstrich aus dem Nasen- oder Rachenraum benötigt, aus dem das SARS-CoV-2-Erbgut isoliert werden kann. Mit dem Prinzip zur Magnetseparation des KIT in den chemagic™ Instrumenten von PerkinElmer chemagen können mehr als 4.000 Proben an einem Arbeitstag aufgereinigt werden. (Bild: SeventyFour / Shutterstock)
Für den PCR-Test wird ein Abstrich aus dem Nasen- oder Rachenraum benötigt, aus dem das SARS-CoV-2-Erbgut isoliert werden kann. Mit dem Prinzip zur Magnetseparation des KIT in den chemagic™ Instrumenten von PerkinElmer chemagen können mehr als 4.000 Proben an einem Arbeitstag aufgereinigt werden. (Bild: SeventyFour / Shutterstock)

Allein in Deutschland beziffern die aktuellen Statistiken des Robert-Koch-Instituts über 1 Million Testungen pro Woche auf die grassierenden Coronaviren. Diese immense Zahl an Tests ist in den über 250 registrierten Laboren nur mit Hochdurchsatz-Diagnostik zu bewältigen. Moderne Analysegeräte erleichtern die Untersuchungen, indem sie die Einzelschritte der Testung automatisiert und parallelisiert in kürzester Zeit abarbeiten. Durch ein am KIT entwickeltes Prinzip zur Magnetseparation, welches von der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH zur Serienreife gebracht wurde, kann die im Vorfeld der Corona-Tests immer notwendige Vorbereitung der Patientenproben im Labor effizient umgesetzt werden.Viele Proben können im Hochdurchsatz gleichzeitig und vollautomatisiert isoliert werden. Für das Gelingen der Nukleinsäure-Isolierung und die notwendige hohe Reinheit sorgt die von PerkinElmer chemagen entwickelte und zum Einsatz kommende Chemie.

PCR-Testroutine

Als sicherste und verlässlichste Testmethode für den direkten Erregernachweis gilt der PCR-Test: Im Verdachtsfall werden Bruchstücke der Virus-Erbsubstanz (RNA) in einem Abstrich vom Patienten aus dem Nasen- oder Rachenraum detektiert, auch bekannt als Genomnachweis. Aus solchen Abstrichen lassen sich jedoch nur etwa ein Millionstel Gramm an Erbsubstanz gewinnen, die in diesen Volumina nur schwer nachweisbar sind. Daher werden die winzigen Erbgutstränge mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) vervielfältigt, damit der Erreger unter Einsatz von fluoreszierenden Stoffen für die spektroskopischen Laborgeräte sichtbar und messbar wird. Wird die Erbsubstanz im Abstrich nachgewiesen, liegt eine Corona-Infektion vor.

Prof. Dr. Matthias Franzreb und Jonas Wohlgemuth haben das Prinzip der Magnetseparation erfunden und gemeinsam mit PerkinElmer chemagen zu einem Verfahren für Laborsysteme entwickelt. Hierbei separieren magnetisierbare Metallstäbe die Virus-Erbsubstanzen aus den Abstrichproben automatisiert und parallelisiert. (Bild: KIT)
Prof. Dr. Matthias Franzreb und Jonas Wohlgemuth haben das Prinzip der Magnetseparation erfunden und gemeinsam mit PerkinElmer chemagen zu einem Verfahren für Laborsysteme entwickelt. Hierbei separieren magnetisierbare Metallstäbe die Virus-Erbsubstanzen aus den Abstrichproben automatisiert und parallelisiert. (Bild: KIT)

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.

Das chemagic™ 360 Instrument von PerkinElmer chemagen, das das Prinzip zur Manipulation und Wiederverteilung von Magnetpartikeln des KIT nutzt, dient weltweit zur Isolierung von Nukleinsäuren aus verschiedensten Proben wie Blut, Speichel, Abstriche, Plasma oder Serum. Mit dem Ausbruch der Pandemie und den notwendigen PCR-Testungen stieg der Bedarf an solchen Systemen. (Bild: PerkinElmer chemagen Technologie GmbH)
Das chemagic™ 360 Instrument von PerkinElmer chemagen, das das Prinzip zur Manipulation und Wiederverteilung von Magnetpartikeln des KIT nutzt, dient weltweit zur Isolierung von Nukleinsäuren aus verschiedensten Proben wie Blut, Speichel, Abstriche, Plasma oder Serum. Mit dem Ausbruch der Pandemie und den notwendigen PCR-Testungen stieg der Bedarf an solchen Systemen. (Bild: PerkinElmer chemagen Technologie GmbH)

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.

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