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Droplet-Microarrays können Mikrotiterplatten in Screening-Anwendungen ersetzen. In der biowissenschaftlichen Grundlagenforschung sowie der Wirkstoffforschung, in diagnostischen Anwendungen und der Präzisionsmedizin lassen sich damit Zellen und Reagenzien untersuchen.Ein Spin-off des Karlsruher Instituts für Technologie, Aquarray, hat das Droplet-Microarray (DMA) entwickelt: eine planare Anordnung hydrophiler Spots, die durch ein superhydrophobes Gitter getrennt sind. Es wird auf transparenten Glas- oder auf Stahlobjektträgern präpariert (<link href="#nadc20234135851-fig-0001">Abbildung rechts).<figure xml:id="nadc20234135851-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/mwGw0HwSQCrzGp8Hwtk0"><figcaption><label>Abb.1: </label>Objektträger für Nanotropfen-Arrays (Droplet-Microarray, DMA): Ein hydrophobes Gitter trennt hydrophile Spots. Foto: Magali Hauser, KIT</figcaption></figure></figure>Funktionalisierte Nanomaterialien ersetzen bei der DMA-Technik die physischen Barrieren zwischen den Kompartimenten, die in Mikrotiterplatten üblich sind. Aufgrund des Kontrasts zwischen den benetzbaren und nicht benetzbaren Kompartimenten werden wässrige Lösungen in den hydrophilen Stellen des DMA eingeschlossen und bilden Nanolitertropfenarrays.<h2 type="main">Tröpfchen kultivieren</h2>Jedes Tröpfchen kann als Mikroreservoir zum Kultivieren von Zellen dienen. Daher wurde das DMA für miniaturisierte, vor allem biologische Anwendungen entwickelt, optimiert und validiert. Aufgrund der hohen Oberflächenspannung bleiben die Tröpfchen auch dann stabil, wenn das DMA auf den Kopf gestellt wird. Dies ermöglicht die Zellkultivierung in hängenden Tröpfchen, um Zellkugeln und Organoide zu erzeugen.Eine weitere Technik erzeugt ein Gittermuster, das mit vielen organischen Lösungsmitteln für Screening-Anwendungen kompatibel ist. Darüber hinaus eignen sich DMAs für Anwendungen wie Maldi-Tof-Massenspektrometrie, Infrarotmessungen und On-Chip-Synthese (<link href="#nadc20234135851-fig-0002">Abbildung oben).<figure xml:id="nadc20234135851-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/TTsUXETRR3qRmhVo83Yz"><figcaption><label>Abb.2: </label>Chemische, analytische und biologische On-chip-Hochdurchsatzmethoden für Nanotropfen-Arrays. Grafik nach M. Benz, A. Asperger, M. Hamester et al., Nat. Commun. 2020, 11, 5391</figcaption></figure></figure>Die planare Oberfläche von DMAs dient als Objektträger für nachfolgende Messungen. Im Fall der Maldi-Tof-Massenspektrometrie führt dies beispielsweise zu höher aufgelösten und besser reproduzierbaren Messergebnissen und zu einer höheren Probendichte. Ein typisches Wirkstoffscreening mit Zellen wird auf einem DMA mit 672 Spots von 1 mm in einem Gesamtvolumen von 250 nL Vollmedium mit bis zu 300 Zellen pro Spot durchgeführt.Zum Vergleich: In einer 384-Well-Mikrotiterplatte werden Volumina von 20 bis 30 µL und zirka 3000 Zellen pro Well benötigt. Aufgrund von Elektrostatik- und Adhäsionseffekten lassen sich Anwendungen oft nicht ohne Weiteres über das Format der 384-Well-Platten hinaus miniaturisieren. Zudem sind menschliche Primärzellen nur eingeschränkt verfügbar – etwa Zellen, die aus Flüssig- oder Stanzbiopsien isoliert wurden. Deshalb sind Mikrotiter-Platten kaum geeignet für die In-vitro-Diagnostik, die optimierte Patientenbehandlungen in der Präzisionsmedizin ermitteln soll.DMAs machen das Screening seltener Zelltypen sowie von Patienten- und Stammzellen möglich. Schließlich ebnen diese Eigenschaften den Weg für Einzelzellanwendungen.<h2 type="main">Droplet-Microarray-Vorteile</h2>Die DMA-Technik hat gegenüber Mikrotiterplatten mehrere Vorteile bei gleicher Variabilität:Mit DMA lassen sich die Kosten für alle Arten von Reagenzien um den Faktor 1000 senken.Für das DMA werden bis zu 100-mal weniger Zellen benötigt.Der DMA-Standardglasboden ermöglicht sofortige In-situ-Mikroskopie.Aufgrund der hydrophilen Spots, die von superhydrophoben Rändern umgeben sind, zeichnen sich die Tröpfchen durch extrem hohe Kontaktwinkel aus. So lässt sich mit der Hanging-Droplet-Technik ein einzelnes Sphäroid in jedem Tröpfchen erzeugen. Darüber hinaus lässt sich das DMA für Arzneimittel- oder Toxikologie-Screenings an befruchteten Zebrafisch-Embryonen bis zu 72 Stunden nach der Befruchtung einsetzen.DMAs sind mit verschiedenen Spotgrößen, Formen und Spotanzahlen von 80 bis 6048 erhältlich. Dies erlaubt eine höhere Zahl an Datenpunkten pro Fläche als bei Mikrotiterplatten. Für Zellanwendungen werden DMAs mit bis zu 1152 Spots empfohlen. Es wird DMA-Platten mit bis zu vier Objektträgern geben, wodurch sich die Zahl der Spots auf 320 bis 24 192 erhöht – bei gleicher Grundfläche wie 384- oder 1536-Well-Mikrotiterplatten.DMAs lassen sich aufgrund ihres geringen Volumens schnell befüllen, zum Beispiel ein DMA mit 672 Spots in 40 Sekunden.DMAs sparen im Hochdurchsatzscreening Geräte und Platz. Ein Nanodispenser ersetzt Mikrotiterplatten-Workflows mit mehreren Pipettierrobotern.Diesen Beitrag haben Konstantin Demir, Gunter Festel, Tim Friedrichson, Pavel Levkin und Anna Popova verfasst. Demir, Festel und Friedrichson sind bei Aquarray in Eggenstein-Leopoldshafen tätig. Levkin und Popova arbeiten am Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Miniaturisierung

Tröpfchen fürs Screening

Droplet-Microarrays können Mikrotiterplatten in Screening-Anwendungen ersetzen. In der biowissenschaftlichen Grundlagenforschung sowie der Wirkstoffforschung, in diagnostischen Anwendungen und der Präzisionsmedizin lassen sich damit Zellen und Reagenzien untersuchen.Ein Spin-off des Karlsruher In...

Für Brennstoffzellen I Das Freiburger Start-up Ionysis entwickelt Komponenten für Brennstoffzellen. Damit soll sich der Gehalt perfluorierter Substanzen in den Membranelektrodeneinheiten reduzieren. Die Brennstoffzellen lassen sich zudem bei höheren Temperaturen betreiben, sodass sie sich für schwere Nutzfahrzeuge oder Anwendungen in der Luftfahrt eignen. Geschäftsführer ist Andreas Büchler (Handelsregistereintrag vom 21.1.2022).Für Medikamente I Neosphere Biotechnologies aus Planegg entwickelt Wirkstoffe für den gezielten Proteinabbau (targeted protein degradation, TPD). Dieser nutzt das Abfallentsorgungssystem der Zelle, um krankheitsverursachende Proteine zu entfernen. Das Start-up verwendet Proteomik-Screening, um Arzneimittel gegen Krankheiten zu finden, die bisher als nicht behandelbar galten. Geschäftsführer ist Henrik Daub (11.2.2022).Strukturen messen I Das Züricher Unternehmen Enantios hat ein optisches Instrument entwickelt, das Molekülstrukturen untersucht. Das Tisch-Analysegerät beruht auf der schwingungsspektroskopischen Messung der optischen Ramanaktivität (Raman optical activity, ROA). Damit lassen sich Chiralität, Proteinstrukturen und Lösungsmitteleffekte in biologischen Systemen bestimmen. Geschäftsführerin ist Carin Lightner (22.12.2022).Kleider zum Sitzen I Aus Alttextilien macht CRCL aus Krefeld einen Kunststoff, der sich immer wieder verwenden lässt. Dazu werden zwei Abfallströme zu einem kreislauffähigen Granulat vereint (Apatura, benannt nach dem Großen Schillerfalter). Daraus entstehen etwa Stühle, die sich später wieder zum Granulat verarbeiten lassen. Geschäftsführer sind Tobias Hauck und Sven Priske (30.1.2023).Holger Bengs, European Chemistry Partnering, schaut für die Nachrichten aus der Chemie ins Handelsregister.

Miniaturisierung

Tröpfchen fürs Screening

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