Ein hochempfindlicher neuer DNA-Sensor ermöglicht Diagnose von genetischen Krankheiten

Wir treten in eine neue Ära der Präzisionsmedizin ein, in der Entscheidungen über notwendige Behandlungen auf unserem ständig anwachsenden Wissen über die molekularen Ursachen von Krankheiten beruhen. Um hier auch künftig immer präzisere Aussagen treffen zu können, benötigen wir zunehmend empfindlichere Technologien und Methoden, die ganz spezifische Veränderungen der DNA-Sequenz (Einzelnukleotid-Polymorphismen - SNPs) detektieren können, sowie diese in komplexen Gemischen zu unterscheiden und zu quantifizieren, die Tausende von Kopien der normalen Gensequenz enthalten. Wenn wir beispielsweise Spuren mutierter Tumor-DNA in einer Blutprobe genau und zuverlässig nachweisen können, würde dies die frühere Erkennung von Krebs ermöglichen - weit bevor Metastasen auftreten.

Die gebräuchlichsten Methoden, die derzeit für den SNP-Nachweis verwendet werden, umfassen die DNA-Amplifikation, üblicherweise unter Verwendung der Polymerasekettenreaktion (PCR). Dieser Schritt kann jedoch anfällig für Kontaminationen von außen oder Amplifikations-Bias sein, was die Genauigkeit bei der Detektion und Quantifizierung einschränkt. Die Entwicklung neuer Methoden, die einen schnellen, ultrasensitiven SNP-Nachweis ohne PCR-Amplifikation ermöglichen, wäre daher ein wichtiger Schritt für die Forschung und vor allem für die Betroffenen.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden mehrere neue DNA-Sensormethoden entwickelt - die meisten weisen jedoch entweder eine relativ geringe SNP-Diskriminierung und / oder eine unzureichende Empfindlichkeit auf, was ihr Potenzial für die Verwendung in realen Umgebungen leider einschränkt. Diese Methoden waren bisher nicht zuverlässig genug.

Eine neue Methode mit magnetischen Nanopartikeln

In einer neuen Studie entwickelten Forscher eine äußerst sensible Methode, die das Einfangen magnetischer Nanopartikel (MNPs) und die Verstärkung von Polyenzym-Nanokügelchen zum Nachweis und zur Unterscheidung von SNPs mit einander kombiniert.¹

Diese Technik verwendet eine MNP-verknüpfte Capture-DNA und eine biotinylierte Signal-DNA, um das Ziel zunächst einzuschließen, gefolgt von einer Ligation, um schließlich eine hohe SNP-Diskriminierung zu bieten: Nur die perfekt passende Ziel-DNA liefert eine kovalent verbundene biotinylierte Signal-DNA auf der MNP-Oberfläche für die anschließende Bindung eines kovalent verknüpften Meerrettich-Peroxidase-Konjugats (NAV-HRP) zur Signalverstärkung. Um die Sensibilität weiter zu erhöhen, enthält der Assay auch eine leistungsstarke Signalamplifikationsstrategie mit Polymer-Nanokügelchen, die jeweils mit Tausenden von Kopien von HRPs markiert sind und eine direkte, amplifikationsfreie Quantifizierung winziger Mengen an Ziel-DNA ermöglichen.

Erkennung einer der häufigsten Krebsmutationen

Das Team testete seine neue Sensorstrategie zum Nachweis von Mutationen im KRAS-Gen, das bei vielen verschiedenen Krebsarten häufig mutiert - einschließlich Darm, Bauchspeicheldrüse und Lunge. Die Forschenden verwendeten die neue Strategie, um drei Ziel-DNAs zu testen: die normale Sequenz (17C) und zwei häufige Krebsmutationen: 17C bis T und 17C bis A. Sie konnten damit zeigen, dass die neue Technik eine hervorragende Unterscheidung zwischen dem Perfect-Match-Gen und seinen krebsbedingten SNPs bietet und ein Femtometer (fm; entspricht 0,000001 Nanometern) der normalen DNA sogar in Gegenwart eines 100-fachen Überschusses der SNP-Ziele nachweisen kann - ein Grad an Genauigkeit der damit zu den bisher besten Sensoren überhaupt zählt. Sie zeigten damit auch, dass die Methode in klinisch relevanten Situationen sehr wohl robust funktioniert - nämlich auch in Proben, die zehn Prozent Humanserum enthielten.

Für alle Experimente verwendeten die Forscher sterilisiertes Reinstwasser, das mit einem ELGA PURELAB^® flex-System hergestellt wurde. So konnte das Risiko von Kontaminationen minimiert und der Erfolg der beschriebenen hochempfindlichen Technologie sichergestellt werden.

Der neue ultrasensitive DNA-Sensor scheint hervorragendes Potenzial für die schnelle Detektion und Diagnose genetischer Erkrankungen zu haben. Zukünftige Arbeiten werden sich nun darauf konzentrieren, diese Methode auf den ultrasensitiven Nachweis von krebsbedingten SNPs auszudehnen und ihre Anwendung in klinischen Proben zu untersuchen. Eine wesentliche Rolle wird dabei die zuverlässige Versorgung mit Reinstwasser spielen.

Warum ELGA?

Wir sind die Laborwasser-Spezialisten von Veolia. Seit über 80 Jahren arbeiten wir eng mit Wissenschaftlern zusammen, um reines und hochreines Wasser für ihre Experimente und Laborarbeiten zu garantieren. Labore auf der ganzen Welt vertrauen auf unsere Wasseraufbereitungssysteme und darauf Forschern zu helfen, genaue und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

Quelle:
¹ Lapitan, D. S. Jr et al. Combining magnetic nanoparticle capture and poly-enzyme nanobead amplification for ultrasensitive detection and discrimination of DNA single nucleotide polymorphisms. Nanoscale DOI: 10.1039/c8nr07641