211service.com
DNA-chip ger positiv ID
Under de senaste fem åren har DNA-chips varit ett kraftfullt forskningsverktyg som lovar mycket för framtida användning i kliniska miljöer. Dessa små kisel- eller glasytor, täckta med tusentals DNA-fragment, används av forskare för att upptäcka gener i DNA-prover. Men fortfarande svårfångad är den heliga gralen i denna teknik – en enda helautomatisk handhållen enhet, eller labb på ett chip, som omedelbart kan analysera DNA från en enda hårstrå eller bloddroppe.
Ett företag som har tagit ett stort steg i den riktningen är San Diego-baserade Nanogen. Dess NanoChip är för närvarande det enda DNA-chipet på marknaden som använder mikrofluidik - kanalisering av vätskor på en chipyta - och elektronisk signalering för att mer exakt identifiera genvarianter och mutationer. Detta kan leda till mer exakt upptäckt av patogener, mikroorganismer eller subtyper av genetiskt baserade sjukdomar.
Möt och matcha
Alla DNA-chips är baserade på en inneboende egenskap hos DNA: när den välbekanta dubbelhelixen delas på mitten, kommer varje DNA-bit att försöka återförenas med en annan, komplementär del - en process som kallas hybridisering.
Ytan på konventionella DNA-chips, som de som produceras av biochipjätten Affymetrix, är vanligtvis täckt med tiotusentals DNA-strängar, så kallade prober. I en typisk applikation märks gener från till exempel en cancertumör med ett fluorescerande färgämne och appliceras på chipytan. De som matchar binder till sonderna, och resten tvättas bort. De fluorescerande markörerna, avlästa med en skanner, tillåter forskare att identifiera DNA-sekvenserna som utgör de bundna generna. Denna process kan ta upp till tre timmar.
I många fall kan dock bindningen av provgenen och dess matchande sond dölja en felaktig matchning av en eller två basbokstäver (byggstenarna i DNA). För de flesta ändamål är denna grad av precision tillräcklig, eftersom den tillåter forskare att identifiera gener, eller genfamiljer, med tillförsikt.
Men när forskare behöver identifiera den exakta genvarianten – för att till exempel kunna skilja mellan olika undertyper av en sjukdom – kan en eller två bokstäver betyda hela skillnaden.
Elektriskt flöde
Nanogen hoppas att NanoChip kommer att möta detta behov. Den är mer specialiserad än konventionella DNA-chips och använder mikrofluidik, elektronik och en smart omvänd konstruktion för att komma fram till en perfekt matchning.
Inom chippet leder en serie mikrofluidkanaler till en central kärna som innehåller 99 testplatser, som var och en kan kontrolleras oberoende av varandra med en elektrisk laddning. Medan standard-DNA-chips är utrustade med sonder, kommer NanoChip-patronen tom och måste anpassas. För att förbereda chipet placeras DNA-sonder i mikrofluidkanalerna och en elektrisk laddning appliceras på testplatserna som kommer att hålla sonderna. Eftersom DNA innehåller en inneboende negativ laddning, dras sonderna ner genom kanalerna till önskade platser.
En elektrisk laddning påskyndar också hybridiseringsprocessen och drar genprover ner till sonderna. Efter hybridisering är den elektriska laddningen omvänd. Endast perfekt matchade prov återstår, och utdata läses sedan av på en anpassad skrivbordsarbetsstation. Hela processen tar cirka 15 minuter.
Hittills har det gett 100 procent noggrannhet, säger Paolo Fortina, en forskare vid Children's Hospital i Philadelphia, som har använt NanoChip i nästan ett år, främst för att validera resultat från en DNA-sekvenserare. Nyligen använde han NanoChip i en studie av genvarianter och hjärt- och kärlsjukdomar.
Andra plattformar
I ett område rikt på experiment, uppvaktar andra bioteknikföretag också framgång med sina egna metoder för konstruktion av DNA-chip.
Motorolas eSensor-grupp – med vilken Nanogen nyligen löste en patenttvist om molekylära detektionsmetoder – planerar att komma ut på marknaden med sitt eget DNA-chip i höst. Motorolas chip använder elektronik inte för att öka hastigheten och precisionen utan för att identifiera hybridiserat DNA utan fluorescens. eSensor-chippet innehåller sonder märkta med en elektronisk etikett. När hybridisering inträffar, appliceras en spänning på chipet, vilket får de hybridiserade sonderna att släppa ut en signal.
HandyLab, en spinoff från University of Michigan, arbetar på ett mikrofluidbaserat DNA-chip, som de hoppas kommer att godkännas för klinisk användning. Precis som Nanogen använder HandyLab elektronisk signalering för att manipulera vätskorna. Men i stället för att utnyttja den inneboende negativa laddningen i själva DNA:t experimenterar HandyLab med termisk pneumatik - att elektriskt värma upp små luftfickor för att driva vätskan och sedan kontrollera flödet kemiskt. HandyLab förutspår kliniska prövningar av sin produkt 2003.
Princeton, NJ-baserade Orchid Biosciences utvecklar en biochipplattform som består av en mikroflödeskrets med flera nivåer, för att detektera genvarianter och mutationer. Orchid hoppas kunna införliva denna mycket parallella plattform i sin produktlinje 2003.