zum Inhalt springen
Powered by

Revolutionäre Lösung für automatisiertes RNA-Screening

Die Revolution in der Untersuchung von Ribonukleinsäuren für die personalisierte Medizin wollen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart herbeiführen: Im Gemeinschaftsprojekt RIBOLUTION wurde eine zweistufige Screening-Pipeline entwickelt, mit deren Hilfe innerhalb kürzester Zeit mehrere tausend Ribonukleinsäureproben mit einer Kostenersparnis von etwa 90 Prozent im Vergleich zu konventionellen Methoden untersucht werden können. Die Forscher nutzen die Plattform, um eine neue, vielversprechende Klasse von Biomarkern zu validieren, die ncRNAs.

RIBOLUTION („Innovative Ribonucleic Acid-based Diagnostic Solutions for Personalized Medicine“) ist der Name für ein Projekt zur Identifizierung neuartiger RNA-basierter Biomarker für die molekulare personalisierte Diagnostik. An diesem Projekt arbeitet ein Fraunhofer-Konsortium aus sechs Instituten mit externen Partnern wie GlaxoSmithKline seit 2011. Gefördert wird das Gemeinschaftsprojekt von der Fraunhofer Zukunfsstiftung. Mit dabei sind auch die Ingenieure Andreas Traube, Tobias Brode, Christopher Laske und Mario Bott aus der Arbeitsgruppe Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Sie sind für den technischen Part der neuen Pipeline für das Biomarker-Screening verantwortlich und haben eine integrierte Plattform für die Validierung der molekularen Marker entwickelt.

Der Bedarf an aussagekräftigen Biomarkern ist hoch

Im Projekt „RIBOLUTION“ wurde eine zweistufige Screening-Pipeline entwickelt, mit deren Hilfe eine große Anzahl neuartiger RNA-basierter Biomarker für die molekulare personalisierte Diagnostik innerhalb kürzester Zeit entwickelt werden kann. © Fraunhofer IPA

Als Biomarker bezeichnet man spezielle körpereigene Substanzen in Blut, Urin oder Gewebe, die als Indikatoren für Krankheiten herangezogen werden können. Ihr Bedarf in einer zunehmend älter werdenden Gesellschaft ist groß, vor allem für die Diagnostik und Therapie von degenerativen, chronisch entzündlichen oder onkologischen Erkrankungen. Es gibt zwar bereits solche molekularen Marker, die es möglich machen, Erkrankungen schon vor dem Eintreten von klinischen Symptomen zu diagnostizieren und dann gezielt zu behandeln. Für die meisten Krankheiten besteht jedoch die Möglichkeit einer solchen personalisierten Diagnostik und Therapie noch nicht. Der Grund dafür ist, dass die Erforschung und Validierung von aussagekräftigen Biomarkern sehr aufwendig und teuer ist. Gleichzeitig ist aber die Nachfrage nach krankheitsspezifischen Indikatoren enorm. Denn mit ihrer Hilfe setzt nicht nur die Therapie früher und gezielter ein, was die Heilungschancen beträchtlich erhöht, sondern es ist auch mit deutlich sinkenden Kosten für das Gesundheitssystem zu rechnen.

Besonders interessiert sind die Projektpartner an einer neuen, vielversprechenden Klasse von Biomarkern, den nicht-proteinkodierenden RNAs (ncRNA), also Ribonukleinsäuren, die nicht in Proteine übersetzt werden. Bisher sind sie wenig erforscht. Aber man hat inzwischen erkannt, dass sie wichtige regulatorische Aufgaben erfüllen und dass die Fehlregulation mit Tumorgenese sowie neurologischen oder kardiovaskulären Erkrankungen einhergeht.

Im RIBOLUTION-Projekt gelang es den Wissenschaftlern, eine umfassende zweistufige Screening-Pipeline zur systematischen Erforschung von RNA-Biomarkern zu entwickeln. Normalerweise müssen solche molekularen Marker durch sehr aufwendige Laborverfahren identifiziert werden, die zudem auch noch manuellen Einflüssen des Anwenders unterliegen. Mit dem neuen, automatisierten Hochdurchsatzverfahren des IPA sind die Ergebnisse personenunabhängig und damit besser reproduzierbar bei gleichzeitig wesentlich schnelleren und sogar kostengünstigeren Probendurchläufen. Die Validierung eines Biomarkers kann an einer Gruppe von rund 1.000 Patienten in nur zwei Monaten durchgeführt werden - ein entsprechender manueller Prozess würde mehr als zwei Jahre Entwicklungszeit in Anspruch nehmen, bei gleichzeitig um ein Vielfaches höheren Entwicklungskosten.

Durch die automationstechnischen Entwicklungen im RIBOLUTION-Projekt wurden Laborautomaten und Geräte verschiedenster Hersteller innerhalb des Labors vernetzt und arbeiten zusammen. © Fraunhofer IPA

Konkret bedeutet das, dass zur Identifizierung eines neuen RNA-Markers in einer kleinen, sehr gut charakterisierten Patientenkohorte zunächst mit einer modernen Sequenziertechnik, dem „Next-Generation-Sequencing“, genomweit nach Markerkandidaten gefahndet wird. Im Anschluss werden diese ersten Kandidaten mit Hilfe von RNA-Chips, den „Microarrays“, weiter eingegrenzt: Die hieraus identifizierten Markerkandidaten werden anschließend an einer sehr großen Anzahl an Patientenproben validiert. Für diese Validierungsphase werden im Hochdurchsatz unterschiedliche Proben wie Blut und Gewebe von über 1.000 Patienten pro Erkrankung untersucht.

„Bei einem solchen Screening nähern wir uns daher leicht dem Millionenbereich an Probentests. Dabei ist die Technologie eigentlich nicht allzu komplex, aber die Probenzahl ist enorm“, erklärt Andreas Traube, Projektleiter am Fraunhofer IPA. Und er fügt hinzu: „So ein Screening könnte man mit den herkömmlichen Automatisierungsverfahren niemals zu darstellbaren Kosten durchführen.“ Dabei wird jede einzelne Probe von Anfang bis Ende der Versuchskette anhand von Barcodes verfolgt.

Anlage durch Einsparungen laboralltagstauglich

Für die zweistufige Entwicklungspipeline für Biomarker wurden spezielle, miniaturisierte, quantitative Polymerasekettenreaktionen (qRT-PCR) mit ungewöhnlich kleinen Volumina unter 500 Nanolitern entwickelt. Normalerweise werden solche Reaktionen in Volumina zwischen 20 und 50 Mikrolitern durchgeführt. „Diese Volumenverkleinerung auf Submikrolitermaßstäbe macht den ganzen Prozess natürlich sehr viel günstiger. Wir erreichen damit eine Ersparnis von etwa 90 Prozent“, so der Ingenieur. „Und durch diese Einsparungen werden die Untersuchungen überhaupt erst alltagstauglich.“ Zum Vergleich: Eine solche konventionelle Anlage würde im Pharmabereich mehrere Räume füllen, die Anlage am Fraunhofer IPA misst dagegen gerade einmal 1,50 mal 1,20 Meter. Zudem ist der Bedarf an Template - der kostbaren RNA-Probe der Patienten - so deutlich reduziert.

Alle Laborgeräte der RIBOLUTION-Anlage sprechen auf Softwareebene eine einheitliche Bediensprache nach dem SiLA-Standard. Dabei können alle Laborgeräte beliebig miteinander vernetzt und in die Anlage integriert werden. © Fraunhofer IPA

Von vornherein war eine der Anforderungen an die Anlage, dass sie auf Softwareebene eine einheitliche Bediensprache sprechen muss. Herausgekommen ist nun die weltweit erste Forschungsanlage, die nach dem sogenannten SiLA-Standard arbeitet (SiLA = Standardization in Lab Automation). Dabei können alle Laborgeräte, die diese „Sprache“ sprechen, beliebig und flexibel miteinander vernetzt und in die Anlage integriert werden. Dies ermöglicht eine schnelle und einfache Vernetzung aller Komponenten und macht eine solche Anlage flexibel.

Angebot als Dienstleistung im Screening-Zentrum

Definiert wurden die grundlegenden Anforderungen zu Beginn des Projekts von den biochemischen und klinischen Projektpartnern. Die Anlage wurde darauf aufbauend von den Ingenieuren des Fraunhofer IPA gebaut. Kommuniziert wurde zwischen den zahlreichen Partnern permanent über eine Online-Austauschplattform. Momentan ist die Hightech-Anlage im Stuttgarter Labor in der Validierungsphase. Läuft alles nach Plan, wird sie bald im Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI Leipzig stehen, wo die Vorbereitungen für ein Screening-Zentrum zur systematischen Erforschung und Entwicklung von Biomarkern laufen. „Wir erwarten die Produktreife in wenigen Monaten“, so die IPA-Wissenschaftler. „Anschließend sollen die Untersuchungen als Dienstleistung im Zentrum angeboten werden, und dann, in einem letzten Schritt, wollen wir solche Anlagen auch auslizenzieren und veräußern - Anfragen gibt es schon.“

Erstes Ziel: Verlässliche Marker für COPD und Prostatakrebs

Für die Validierungsexperimente werden die Untersuchungen mit statistisch ausgewählten COPD(chronisch obstruktive Lungenerkrankung)-, Sepsis- und Prostatakarzinom-Patientenproben durchgeführt. „Unsere Strategie wird es auch im neuen Leipziger Zentrum dann zunächst sein, die Erforschung von Biomarkern für diese Erkrankungen so weit voranzutreiben, bis wir einen sehr gut funktionierenden Marker für den Klinikalltag an der Hand haben“, sagt Ingenieur Andreas Traube. „Aber wir sind natürlich offen für neue Partner und Kooperationen, Gespräche laufen auch schon bereits.“

Im vergangenen Jahr wurden die herausragenden Leistungen beim Aufbau der Stuttgarter RIBOLUTION-Anlage mit dem 3. Platz beim Hans-Jürgen Warnecke Innovationspreis gewürdigt. Das komplette Projekt aller Kooperationspartner wurde von Beginn an von der Fraunhofer Zukunftsstiftung gefördert, die die einst erzielten Erlöse aus der Erfindung der MP3-Technik in solche Zukunftsprojekte reinvestiert.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/revolutionaere-loesung-fuer-automatisiertes-rna-screening