Signalamplifikation durch RCA

Eine andere Möglichkeit der Signalamplifikation ist die vermehrte Bereitstellung von Sondenbindungsstellen (Andras et al., 2001). Neben der Ligase-Ketten-Reaktion (Barany 1991) ist hier vor allem die Rolling Circle Amplification (RCA) zu nennen. In dieser Arbeit wurde die RCA zur Amplifikation einer repetitiven Sequenz verwendet, an der eine Vielzahl von EST2-ODN-Konjugaten binden können. Dieser Ansatz erlaubte eine selektive Detektion von bis zu zehn KbE E. coli. Bisher wurde die RCA zur Synthese von Nanostrukturen, Detektion von Einzelbasenaustauschen und in Biosensoren mit funktionellen Nukleinsäuren eingesetzt (Lizardi et al., 1998; Zhao et al., 2008; Yang & Ellington 2008). Eine Anwendung der RCA ist beispielsweise die Detektion der niedermolekularen Verbindung ATP. Dabei wurde ein Aptazym eingesetzt, dessen katalytische Aktivität durch ATP moduliert wird. Das Aptazym agiert in Gegenwart von ATP wie eine DNA-Ligase und erzeugt die ringförmige Matrize für die nachfolgende RCA-Reaktion. Dieser Ansatz kann sowohl homogen in Lösung als auch heterogen auf Oberflächen ausgeführt werden (Cho et al., 2005). Ebenfalls wurde die RCA kürzlich für die Detektion von miRNAs eingesetzt. Dazu verwendete man so genannte padlock-Sonden (Nilsson et al., 1994). Die Methode benutzt eine lineare DNA-Sonde, deren beide Enden durch die spezifische Hybridisierung an eine

miRNA-Zielsequenz in unmittelbare Nähe gebracht werden. Die beiden Enden der DNA-Sonde werden durch T4 RNA-Ligase 2 verbunden, und der gebildete DNA-Ring fungiert als Matrize für eine RCA-Reaktion mit einer geeigneten DNA-Polymerase und dNTPs. Das RCA-Produkt wird direkt mit einem Fluoreszenzfarbstoff detektiert. Die Methode kann zwischen zwei sehr ähnlichen miRNAs unterscheiden und erreicht eine Nachweisgrenze von 0,025 pM (Cheng et al., 2009). Einen ähnlichen Ansatz wie in dieser Arbeit vorgestellt, benutzten Smolina et al. (2005) zur Signalamplifikation des Nachweises von PCR-Amplikons auf Glasoberflächen. Dabei verwendeten sie RCA in Gegenwart von Fluorophor-modifizierten dNTPs und erreichten einen Nachweis von etwa 1.000 Analytmolekülen. In dieser Arbeit wurde die Übertragbarkeit dieses Ansatzes auf die elektrochemische Detektion von RNA erstmals gezeigt. Im Vergleich zum Vier-Komponenten-System mit EST2-ODN-Konjugat ergab sich eine 40-fach bessere Nachweisgrenze für 16S rRNA aus E. coli. Jedoch liegt der Zeitbedarf für den auf RCA basierten Nachweis bei etwa zwei Stunden, was fast dreimal so lange ist wie der Nachweis ohne RCA.

4.5.3 Signalamplifikation durch Dendrimertechnologie

Um einen äußerst sensitiven Nachweis von Nukleinsäuren in kurzer Zeit zu gewährleisten, wurden mehrfach markierte Dendrimere eingesetzt. Es wurden Dendrimere der Generationen 3 und 5 mit einem Cysteamin-Kern verwendet. Nach Reduktion wurde an die Thiolgruppe das Detektor-ODN konjugiert. Nach Absättigung einiger Aminogruppen mit Essigsäureanhydrid wurden EST2-Moleküle mittels bifunktionellem Kopplungsreagenz an die restlichen Aminogruppen gekoppelt. Diese neuartigen mehrfach markierten Reporterkonjugate wurden mittels DNA/DNA-Hybridisierung charakterisiert. Hinsichtlich Sensitivität erreichte man mit G3 bzw. G5 EST2-Dendrimer-ODN-Konjugaten ein Detektionslimit von 0,3 und 0,02 pM. Dies stellt eine zehn- bzw. 100-fache Verbesserung der Nachweisgrenze im Vergleich zum konventionell verwendeten EST2-ODN-Konjugat (Detektionslimit 3 pM) dar (Humenik et al., 2008). Somit konnte in dieser Arbeit eine der sensitivsten Nachweisgrenzen, die bisher mit elektrochemischer Detektion erreicht wurden, erzielt werden (Sassolas et al., 2008). Das erreichte Detektionslimit ist vergleichbar mit dem bei Verwendung von in Liposomen eingeschlossenen HRP-Molekülen (Alfonta et al., 2001b), mehrfach Ferrocen-markierten Goldnanopartikeln (Wang et al., 2003) und zyklischen DNA-Sonden (Patolsky et al., 2002). Hinsichtlich Selektivität fällt auf, dass beim G3 Konjugat ein leichter aber vor allem beim G5 EST2-Dendrimer-ODN-Konjugat ein stärkerer Verlust der Diskriminierungsfähigkeit von Fehlbasenpaarungen im Vergleich zum ODN-Konjugat eintritt. Daraufhin wurden G3 EST2-Dendrimer-ODN-Konjugate zum Nachweis von bakterieller 16S rRNA angewandt.

Dabei wurde eine Steigerung der Sensitivität um mindestens den Faktor zehn im Vergleich zum EST2-ODN-Konjugat bei gleichbleibender Analysezeit beobachtet. Die

Selektivität der Detektion von E. coli 16S rRNA war weiterhin ausgesprochen gut. Die Verwendung von G5 EST2-Dendrimer-ODN-Konjugaten brachte im Vergleich zu G3 EST2-Dendrimer-ODN-Konjugaten keine weitere Verbesserung des Detektionslimits, da bei der Isolierung von Gesamt-RNA aus weniger als 100 Zellen Limitationen durch Adsorption der Nukleinsäure an die Silika-Gel-Membran bzw. an die Gefäßwände zum Tragen kommen. Die gleichzeitige Verwendung eines Suspensions-Microarrays und Dendrimer-Konjugaten erlaubte die Subtypisierung von L. monocytogenes-Stämmen.

Mehrfach Biotin-markierte DNA-Dendrimer-Konjugate wurden zur direkten Detektion von genomischer DNA aus L. monocytogenes, die auf Polystyrolkügelchen immobilisierte Fänger gebunden wurde, eingesetzt. Nach Hybridisierung erfolgte die Anbindung von Phycoerythrin-Streptavidin-Konjugaten, welche anschließend mittels Durchflusszytometrie detektiert wurden (Borucki et al., 2005). Eine andere gut etablierte Methode, die die Anbindung vieler Reportermoleküle an ein Hybridisierungsereignis erlaubt, ist der Einsatz von verzweigter DNA (branched DNA).

Diese Methode wird kommerziell zur Diagnostik von HIV RNA in Blutplasma eingesetzt. Weniger als 10.000 Kopien RNA pro mL können mit diesem Ansatz detektiert werden. Die Ziel-RNA wird an in Vertiefungen von Mikrotiterplatten gebundenen Fängern immobilisiert. Daran können ODNs binden (pre-amplifier), an die je weitere acht verzweigte DNA-Moleküle hybridisieren können. An jedes verzweigte DNA-Molekül können anschließend bis zu 48 Alkalische Phosphatase-Moleküle binden, was einen erheblichen Signalamplifikationseffekt generiert (Kern et al., 1996).

Problematisch bei diesem Ansatz ist die Vielzahl an durchzuführenden Arbeitsschritten und Hybridisierungsschritte, welche Reproduzierbarkeit und Spezifität negativ beeinflussen können. Dagegen stellt die Verwendung von mehrfach markierten Dendrimer-ODN-Konjugaten eine neue, schnelle und sensitive Methode der Signalamplifikation dar.

5 Ausblick

Die Nachfrage nach immer schnelleren, sensitiveren und kostengünstigeren Nachweismethoden von Biomolekülen hat in den letzten Jahren eine Vielzahl von unterschiedlichen Detektionsmethoden hervorgebracht, die für eine Point-of-Care (POC) Anwendung geeignet sind. Wichtige Kriterien für die Entwicklung solcher POC-Methoden sind: (1) Die Analyse soll außerhalb eines Zentrallabors nahe am Patienten durchgeführt werden. (2) Es soll keine Probenvorbereitung des Untersuchungsmaterials erforderlich sein. (3) Alle Reagenzien sollten in einsatzbereiter Form zur Verfügung gestellt werden. (4) Die Methode soll auch von nicht geschultem Personal durchführbar sein. (5) Aus den rasch erzielten Ergebnissen sollten unmittelbar eine diagnostische oder therapeutische Konsequenz gezogen werden (Luppa & Schlebusch 2008).

Der elektrochemische Nachweis von Biomolekülen ist eine interessante Möglichkeit für die Etablierung eines POC-Nachweises. Der direkte Nachweis von RNA bietet eine schnellere, kostengünstigere und einfacher automatisierbare Alternative gegenüber auf Nukleinsäureamplifikation-basierenden Nachweismethoden. In Zukunft muss die Entwicklung der Automatisierung weiter vorangetrieben werden, um Fehler des Benutzers bei der Inkubation der Chips zu vermeiden. Im optimalen Fall sollte der Benutzer nur noch die zu untersuchende Probe bzw. das Zelllysat in das Gerät geben und die Aufarbeitung, Inkubation und Auswertung laufen vollständig automatisiert ab.

Ein weiterer Ansatz ist die Entwicklung elektrochemisch auslesbarer Teststreifen (Lateral Flow Assay). Somit könnte man sich die Entwicklung komplizierter Mikrofluidik-Anordnungen ersparen.

Die Entwicklung neuartiger Signalamplifikationsmethoden ist für einen direkten Nachweis von Nukleinsäuren immer von Bedeutung. Mit der Dendrimertechnologie konnte bereits eine deutliche Steigerung des Detektionslimits von bakterieller 16S rRNA erzielt werden. Der Einsatz neuartiger Nanomaterialien ist eine weitere Möglichkeit für die Entwicklung äußerst sensitiver und selektiver Biosensoren.

Der direkte Nachweis von Nukleinsäuren mittels Lückenhybridisierung zeigt enormes Potential für eine Kommerzialisierung als POC-Nachweissystem. Es eröffnen sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten durch die Anpassung der Analytmoleküle.

Neben der medizinischen Diagnostik und der Überwachung von Kontaminationen in Lebensmitteln sind z.B. die Überwachung von Wasser und Luft denkbar. Darüberhinaus bietet sich der Einsatz in der Grundlagenforschung als schnelle Methode zur Gen- oder miRNA-Expressionsanalyse an.

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