Egycsipes DNS-laboratórium
A DNS-analízis minden más ismert módszernél biztosabban azonosítja az élőlényeket, ezért fontos szerepe lehet a fertőző betegségek kórokozóinak gyors felismerésében is. A gyakorlati alkalmazást azonban korlátozza a vizsgálat idő- és szakemberigénye és költségessége. Az STMicroelectronics új megoldása segít a korlátok áttörésében.
Az STMicroelectronics megoldása fertőző betegségek gyors diagnosztikájára
A humán- és állatgyógyászat fontos problémája a fertőző betegségek kórokozóinak biztos felismerése és azok esetleges alváltozatainak (például gyógyszerrezisztens törzseinek) azonosítása. Az ehhez szükséges információ megtalálható a kórokozó mikroorganizmus DNS-ében, ám a hagyományos vizsgálat olyan hosszadalmas, amely egy gyors lefolyású, gyorsan terjedő fertőző betegség elleni intézkedések kidolgozására rendelkezésre álló rövid idő alatt nem, vagy csak igen jelentős erőforrások mozgósítása árán végezhető el.
Az STMicroelectronics (STM) integrált, egycsipes laboratóriuma (Lab-on-Chip) innovatív megoldást kínál erre a problémára. A rendszer alapja a polimeráz láncreakció (Polymerase Chain Reaction – PCR) nevű eljárás, amelyet egy mikroméretű érzékelőmátrix felületén hajtanak végre. Ezáltal egyszerre több kórokozó, gén vagy DNS-mutáció szűrése és azonosítása történhet meg „egy menetben”, kevesebb, mint két óra alatt.
A Lab-on-Chip egy egyszer használatos eszköz, amelyet szilíciumalapú MEMS (Micro ElectroMechanical System) technológiával gyártanak. Az integrált szilíciumeszköz egy kb. 2,5 × 7,6 cm méretű műanyag hordozón helyezkedik el, és tartalmazza az összes mechanikai, termikus, villamos és folyadéktechnológiai hozzávezetések csatlakozásait (1. ábra). A Si-csip egy elektronikailag aktív rendszer, amelynek felületén helyezkedik el a 6×21-es mátrixba rendezett, összesen 126 db, egyenként 25 μl térfogatú mikroreaktor a PCR-reakció végrehajtásához, melyekhez egy-egy 30 μl-es hibridizációs kamra tartozik. A mikroreaktorok közös folyadékáramlási rendszerhez csatlakoznak. A mikroméretű reakcióterek hőmérsékletprofiljáról (a hőmérséklet előírt időfüggvényéről) integrált, szabályozott ellenállásos fűtőrendszer gondoskodik. A Lab-on-Chip konkrét funkcióját az határozza meg, hogy az egyes mikroreaktorok milyen reagenskombinációval vannak feltöltve. A kiértékelést egy 670…730 nm tartományban érzékeny optikai rendszer végzi a reakciótermékek fluoreszcenciájának érzékelésével és a mért sugárzási adatok digitális feldolgozásával.
A vizsgálat alkalmazási területei a humán és ipari mikrobiológiában
Az STM Lab-on-Chip platformjának (2. ábra) felhasználásával már jó néhány alkalmazást dolgoztak ki, amelyeket a gyakorlatban is használnak. Ezek a következők:
-
szezonális influenza és a H1N1-altípus (madárinfluenza) azonosítása és megkülönböztetése,
-
a tuberkulózis (TBC) kórokozójának (ezen belül a gyógyszerrezisztens változatok) kimutatása,
-
a malária kórokozó kimutatása és esetleges gyógyszer-rezisztenciájának felismerése,
-
anthrax (lépfene) és pestisbaktérium, illetve himlővírus kimutatása biológiai hadviselés elleni védekezésben,
-
élelmiszerek és állati takarmányok fertőzöttségének kimutatása, emberről állatra és állatról emberre terjedő kórokozók felismerése az ipari mikrobiológiában.
Az egészségügyi felügyeletben használt Lab-on-Chip technológia hasznos segédeszköz a kórokozók gyors azonosításában, amely járványok kitörésének veszélyére figyelmeztetheti a közegészségügyi orvostani intézményeket, és a kórokozók gyors és könnyű azonosítása hozzájárulhat a lakosságot vagy állatállományt sújtó tömeges hatások következményeinek csökkentéséhez, ezáltal pedig súlyos gazdasági és társadalmi károk csökkentésében is fontos szerepe lehet.
Alkalmazási lehetőségek
A mikromátrix elrendezésű Lab-on-Chip segítségével lehetségessé válik olyan alkalmazások fejlesztése, amelyek nagyszámú paraméter egyidejű tesztelését igénylik. Ezáltal a gyógyászati szakemberek rövid idő alatt megkaphatják mindazt az információt, amelynek alapján meghozhatják a betegségre specifikus és a terápiát meghatározó döntéseiket.
Ez a technológia mintegy kiegészítője az – ugyancsak az STM által kidolgozott – kvantitatív PCR-rendszernek. A két rendszerrel az STM minden mikrobiológiai diagnosztikai igényt ki tud elégíteni, kezdve azzal, hogy egy mintában vajon néhány kórokozó mennyiségi meghatározását és azonosítását kell-e elvégezni egy valósidejű PCR-berendezésben, vagy egy mikromátrixba helyezett mintából több tíz, esetleg több száz gént kell-e kimutatni egyetlen vizsgálati folyamatban.
A tipikus felhasználók
A Lab-on-Chip egy alternatív megoldás azoknak a diagnosztikai módszereket kidolgozó cégeknek, amelyek könnyen kezelhető vizsgálati eszközöket akarnak gyártani decentralizált laboratóriumok részére. Olyanokat, amelyek nem tömeges, inkább véletlenszerű felhasználásra alkalmasak azzal az igénnyel, hogy a vizsgálat végrehajtásához minimális kezelői beavatkozásra (és szaktudásra – a szerk. megj.) legyen szükség. A mikromátrix sokoldalúsága, a berendezések kis mérete és alacsony karbantartásigénye teszi az STM Lab-on-Chip platformját alkalmassá a legkülönbözőbb alkalmazási környezetekben fellépő, változatos igények kielégítésére.
A platformot az STMicroelectronics gyártja, és az mindenben megfelel az in-vitro diagnosztikai készülékekre vonatkozó ISO13485 és CE szabványoknak.
A mikromátrixegység
-
Megjelenése: műanyag lap a felületére ültetett Si-mikrocsippel
-
Mérete: 25 × 75,5 mm
-
A mátrix kapacitása: 126 pont (pontonként egy PCR- és hibridizáló reaktorral)
-
Átlagos pontméret: 120 μm
-
A vizsgálat jellemzője: DNS oligonukleotid
-
A PCR-reaktor térfogata: 25 μl
-
A hibridizáló reaktor térfogata: 30 μl
-
Folyadékbetöltési rendszer: mikropipettával a töltő csőcsatlakozásnál
-
Reaktortömítési rendszer: leszorításos
A Q3-platform – a világ első kvantitatív PCR-rendszere
A Q3 olyan kisméretű, hordozható platform (3. ábra), amely az orvosdiagnosztikától a környezetvédelmen át az élelmiszergyártásig terjedő, széles alkalmazási spektrumban teszi lehetővé a klasszikus laboratóriumi DNS-analízis végrehajtását. Úgy tervezték, hogy laboratóriumi gyakorlat nélküli személy is használhassa az igény felmerülésének helyszínén alkalmazható műszerként.
Különféle keretkonfigurációk állnak rendelkezésre, amelyek egytől 12 reakcióig terjedő számú paraméter vizsgálatára alkalmasak, a reaktortérfogat pedig 3…50 μl között lehet, amelyben a reakció folyamatosan monitorozható.
A rendszer áttekintése
A Q3-rendszer egyetlen csipen integrálja a valósidejű PCR-vizsgálatokhoz tartozó erősítés, adagolás és detektálás folyamatait. Ez egy egyszer használatos készülék, amelynek központi eleme a félvezető gyártási technológiával előállított szilíciumcsip.Ennek lezárására átlátszó zárófedél szolgál, amelyben a reakciókamrákat is kialakították. A szilíciumcsip egy elektronikusan aktív eszköz, amely egy központilag elhelyezett hőmérséklet-érzékelővel és az azt körülvevő ellenállásos fűtőelemekkel szabályozza a reakció-hőmérsékletet. A csip minden szükséges biológiai reagenssel előre fel van töltve, amelyet parafinréteg zár le. Az operátornak egyszerűen csak be kell helyeznie a csipet a Q3 készülékbe, és be kell töltenie az analizálni kívánt mintát.
A PCR-reakció biológiai kompatibilitását megfelelő biokémiai kezelés biztosítja. A Q3 aránylag alacsony árszintje lehetővé teszi, hogy a szenzort csak egyszer használják fel. Ez azért nagy fontosságú, mert megelőzi az egymást követő vizsgálatok közötti „keresztszennyezést”, és csökkenti a kezelő személy biológiai veszélyeztetettségét.
Egyszer használatos mikroreaktor modul
-
Megjelenés: polimer keretbe épített szilícium mikrocsip
-
Méret: 48,8×19,8×5,3 mm
-
A reakciókamrák száma: 1…12
-
A PCR-reaktor térfogata 50…3 µl
-
A reakciótér hőmérséklet-szabályozása: integrált érzékelő és fűtőrendszer
-
Folyadékbetöltési rendszer: mikropipetta
-
A PCR-reaktorok tömítési rendszere: öntömítő képességű, fázisváltós, parafinalapú viasz.
A rendszer megkapta a CE-minősítést, és mérnöki minták formájában elérhető.
(A cikk az STMicroelectronics cég Healthcare Newsletter kiadványának „Lab-on-chip Technology Provides Rapid Diagnosis of Infectious Diseases” c. cikke alapján készült a gyártó cég jóváhagyásával.)
Werner Neumann