Labor im Miniaturformat

Labor im Miniaturformat
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Gyrolab xPlore TM
21.02.2017 | Bürstenlose DC-Servomotoren positionieren Biologika-Proben.

Krebszellen gezielt auszuschalten, ohne gesundes Gewebe zu schädigen – dieses Ziel verfolgen Forscher seit einigen Jahren mit den sogenannten Biologika. Die neuen Wirkstoffe erkennen entartete Zellen anhand ihrer molekularen Besonderheiten und helfen dabei, sie systematisch zu bekämpfen. Um maßgeschneiderte Biologika für verschiedene Krebserkrankungen zu finden, müssen viele potentiell geeignete Arzneimittel untersucht werden. Ein speziell entwickeltes Analysegerät, erleichtert diese Suche. Innerhalb kurzer Zeit testet es automatisch winzige Mengen mehrerer Proben parallel und spart damit Zeit, Arbeitskraft und Material. Für die nötige Geschwindigkeit und Präzision bei der Handhabung der Proben sorgen bürstenlose DC-Servomotoren.


Bei Biologika handelt es sich um große Moleküle, die zu komplex aufgebaut sind, um sie konventionell synthetisch herzustellen. Sie werden von lebenden, meist gentechnisch veränderten Zellen produziert, die im Labor in einer Nährflüssigkeit gezüchtet werden. Die meisten Biologika sind Proteine. Die Hoffnung der Krebsforscher konzentriert sich besonders auf eine Proteinart: die Antikörper. Sie werden von spezialisierten Zellen des Immunsystems gebildet. Antikörper erkennen und binden an bestimmte Proteine, etwa von Bakterien oder Viren, die bei einem Infekt in den Körper eindringen. So werden die Krankheitserreger neutralisiert oder für den Abbau durch Fresszellen markiert. Auch Krebszellen lassen sich so bekämpfen.

Bindung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.

Für den Wirkstoff-Nachweis macht man sich die besondere Bindungseigenschaft zwischen dem Antikörper und seinem Zielprotein, dem sogenannten Antigen, zunutze. Diese Bindung ist – ähnlich dem Schlüssel-Schloss-Prinzip – sehr spezifisch, Antigen und Antikörper erkennen einander auch unter Milliarden anderer Moleküle. Um zum Beispiel die Konzentration eines Antikörpers in der Probenflüssigkeit zu bestimmen, wird sein Antigen in einem kurzen Abschnitt an der Wand des Kanals fixiert. Fließt der Antikörper im Kanal am Antigen vorbei, wird er von diesem aus der Flüssigkeit herausgefischt und festgehalten. Nach demselben Prinzip bindet sich anschließend ein zweiter Antikörper, der mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert ist, an den ersten. Der Farbstoff wird dann mit einem Laser angeregt. Durch Detektion des emittierten Lichts kann die Konzentration des Proteins – in diesem Fall des Antikörpers – in der Probe bestimmt werden.


Das Herz des Miniaturlabors


Für solche Zwecke hat das schwedische Unternehmen Gyros das Analysegerät Gyrolab xPlore entwickelt. Auf den ersten Blick wirkt es wie ein großer Laserdrucker. Unter der Haube verbirgt sich jedoch ein Labor im Miniaturformat. Maria Hjortsmark, Marketingleiterin bei Gyros erklärt: „Unsere Kunden kommen zum größten Teil aus der pharmazeutischen Industrie. Die Unternehmen nutzen das System zur Prüfung ihrer Biologika.“ Herzstück des Geräts bildet eine Kunststoffscheibe im CD-Format. Auf ihr findet die eigentliche Analyse der Proben statt. Die Scheibe enthält ein System von Kanälen, deren Durchmesser weniger als ein Millimeter beträgt. Mit Hilfe von Kapillar- und Zentrifugalkraft werden die Proben durch das Kanalsystem transportiert und dabei analysiert.
Das Analysegerät kann in jeder Phase der Entwicklung von Biologika eingesetzt werden, um einen neuen Wirkstoff zu analysieren – etwa in der Nährlösung der Zellen oder im Blut von Versuchstieren und Patienten. Bis zu 112 Datenpunkte lassen sich mit einer Kunststoffscheibe parallel erzeugen. Dank der Mikrostrukturen der Scheibe spart das Analysegerät dabei sowohl Probenmaterial als auch Reagenzien. Die Probenflüssigkeit wird in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte pipettiert und dann in das Instrument gesetzt. Ein Roboterarm transportiert die Probe anschließend auf die Kunststoffscheibe. Die Kapillarkraft saugt sie dort in den vorgesehenen Kanal. Für den Test wird nur eine winzige Menge der Flüssigkeit benötigt: je nach Format der Scheibe sind es 20 oder 200 Nanoliter.


Die genaue Menge der Flüssigkeit wird direkt auf der Kunststoffscheibe abgemessen. Dazu erweitert sich der Kanal zu einer Kammer, die exakt das definierte Volumen fasst. An ihrem äußeren Ende befindet sich ein hydrophober Bereich. Er verhindert, dass die Flüssigkeit weiter in den Kanal hinein fließt. Nun beginnt die Scheibe zu rotieren. Die Zentrifugalkraft sorgt dafür, dass die Probenflüssigkeit, die sich oberhalb der Kammer befindet, durch einen Überlaufkanal abgeleitet wird. Anschließend erhöht das Gerät die Rotationsgeschwindigkeit soweit, dass die Probe die hydrophobe Barriere überwindet und in den nächsten Bereich übertritt.
Nach demselben Prinzip werden dem Experiment weitere Reagenzien zugegeben und Waschvorgänge durchgeführt. Der komplette Versuch läuft automatisch ab, die mitgelieferte Software steuert die einzelnen Schritte. „Die Automatisierung reduziert nicht nur der Arbeitsaufwand, sondern auch die auftretenden Fehler“, ergänzt Maria Hjortsmark.


Geschwindigkeit für hohen Durchsatz


Der Gyrolab xPlore basiert auf einem am Markt bewährten Vorgängermodell, das in einem Durchlauf fünf Kunststoffscheiben analysieren konnte. Für viele Unternehmen mit geringerem Durchsatz oder kleinere Abteilungen großer Pharmafirmen war dieses Gerät jedoch eine Nummer zu groß. Hier bietet der Gyrolab xPlore nun eine maßgeschneiderte Alternative.
Eine Forderung bei der Konstruktion des neuen Analysegeräts war, dass es seinem großen Bruder in Sachen Geschwindigkeit in nichts nachsteht. Sein Roboterarm muss die Proben daher ebenso schnell und zuverlässig transportieren. Allerdings werden die schnellen Schrittmotoren, die den Roboterarm des großen Analysegeräts bewegen, mittlerweile nicht mehr produziert. Auf der Suche nach einer Alternative wandte sich der Hersteller an die Compotech Provider AB. Pelle Almgren von Compotech fasst die Anforderungen an den eingesetzten Antrieb zusammen: „Die Motoren müssen eine hohe Geschwindigkeit erreichen, ohne Abstriche beim Drehmoment zu machen. Wir haben uns deshalb entschieden, die Schrittmotoren durch leistungsstarke Servomotoren zu ersetzen“. Die Wahl fiel dann gleich aus mehreren Gründen auf bürstenlose DC-Servomotoren der SerieBX4 in 4-Pol-Technik mit hohem Drehmoment von 8,5 bis 165 mNm aus dem Hause FAULHABER. Diese dreiphasigen eisenlosen Motoren eignen sich ideal für hochdynamische Anwendungen, die auf sehr beengtem Raum ein hohes Drehmoment fordern. Die Motoren sind mit Inkrementalgebern ausgestatteten und aufgrund ihrer kompakten Bauweise mit einem Durchmesser von 22 mm und 74 mm Länge nur wenig größer als die Schrittmotoren des Vorgängermodells. Zudem überzeugten sie mit einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis.
Drei solcher Servomotoren sind in dem kompakten Analysegerät verbaut: Zwei von ihnen werden an einen Lineartisch montiert. Sie bewegen den Pipettierarm beim Transfer der Proben in horizontaler Richtung und steuern die Bewegung des Lasers bei der Analyse. Der dritte Motor ist mit einem Planetengetriebe ausgestattet und sorgt für das Heben und Senken des Pipettierkopfes. Dank der präzisen Regelelektronik und dem konstanten Drehmoment lassen sich die Proben auf der Kunststoffscheibe zielgenau am Eingang des jeweiligen Kanals positionieren. Und auch der Anforderung an hohe Geschwindigkeit wird das Analysegerät dank der eingesetzten Motoren gerecht. Maria Hjortsmar erläutert: „Um 112 Datenpunkte zu erzeugen, braucht er weniger als eine Stunde.“ Damit leisten die Analysegeräte einen wichtigen Beitrag bei der Entwicklung von Biologika zur Krebsbekämpfung.


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