Simpel, klein & handig

Een compleet instrumentarium in je hand: het is het ideaal van het lab-on-a-chip. In de toekomst neemt de dokter er tests mee af en leest direct de uitslag.

Via een ingewikkeld stelsel van kanaaltjes vullen 96 reactieputjes in een klein perspex doosje zich binnen enkele seconden met vloeistof. ``Er komt geen pomp aan te pas,'' vertelt Blankenstein van het bedrijf MicroParts uit Dortmund, ``De capillaire werking ervoor dat alles naar de juiste plaats stroomt.''

Blankenstein demonstreert een miniatuurversie van een microtiterplaat, een veelgebruikt instrument in analytische laboratoria. De 96 putjes zijn kleine reactievaatjes waarin met een kleurreactie het effect van oplopende reeksen stoffen kan worden bepaald. In dit geval gebruikt Blankenstein hem om de antibiotica-resistentie van bacteriën geïsoleerd uit ziekenhuispatiënten te bepalen. ``Traditioneel neemt zo'n test een paar dagen in beslag, maar met onze miniatuurversie is die tijd gereduceerd tot twee à drie uur. Die tijdswinst kán belangrijk zijn voor de patiënt. Door de eenvoud is de kans dat de test mislukt veel kleiner. En omdat het vloeistofvolume veel kleiner is, nog geen twee microliter tegen 500 microliter in de normale microtiterplaat, bespaar je ook nog eens flink op prijzige chemicaliën.''

Zo simpel als het laboratoriumhulpstuk van MicroParts werkt, zo high tech zijn de methoden om het te ontwerpen. Alles wordt daarbij uit de kast gehaald: fotolithografisch etsen, frezen met microscopische diamantpuntjes en bijschaven met een laser. Het bedrijf maakt hiermee eerst een master, die dient om de mallen te vormen. Als die eenmaal gemaakt zijn, kunnen de apparaatjes met eenvoudig spuitgieten in serie worden geproduceerd. Het plastic krijgt daarna nog een coating om het minder waterafstotend te maken en de putjes worden gevuld met specifieke stoffenreeksen. Deksel erop en klaar.

MINIATURISERING

De microtiterplaat van MicroParts is maar een voorbeeld van de vèrgaande minitiaturisering van de instrumenten in het biologisch laboratorium. Tijdens het vorige week gehouden wereldcongres Biotechnology 2000 in Berlijn vingen onderzoekers afkomstig uit het bedrijfsleven en van de universiteiten elkaar vliegen af: meer toepassingen, betere meetresultaten, maar bovenal: kleiner.

Lab-on-a-chip is het buzz word van de moderne biologie. De nanotechnologie vergroot de mogelijkheden van laboratoriumautomatisering en paralelle testen (zogeheten high throughput screening). De DNA-analyse bevindt zich in de voorhoede van deze miniaturisatiegolf. Rond 1990 deden de eerste DNA-chips hun intrede in het erfelijkheidsonderzoek. De klassieke DNA-chip (ook wel `micro-array' genoemd) is eigenlijk niets meer dan een simpel glazen plaatje met een regelmatig patroon van korte stukjes enkelstrengs DNA. Deze zogeheten probes zijn vooraf zo uitgekozen, dat zij met grote specificiteit complementaire stukken DNA binden. Het te testen DNA-monster wordt eerst in stukken geknipt en voorzien van een fluorescentiemerker (die oplicht als je hem beschijnt). Daarna wordt een oplossing van de gemerkte brokstukken met de chip in contact gebracht. Nadat het DNA de tijd heeft gekregen om zich aan de probes te binden, wordt de chip gespoeld om het overtollige DNA weg te wassen. In een! fluorescentiemeter kan vervolgens bepaald worden welke probes een complementaire partner hebben gevonden in het DNA-monster: ze lichten groen op.

De chips kunnen tegenwoordig zogeheten Single Nucleotide Polymorphisms (SNP's) opsporen. SNP's (spreek uit: snips) zijn mutaties van slechts één nucleotide in een gen. Deze kleine veranderingen worden verantwoordelijk gehouden voor tal van erfelijke ziekten en hebben daarom de grootste interesse van de farmaceutische industrie.

De kunst is nu om zoveel mogelijk testmoleculen (spots) op een plaatje te krijgen; dan kun je immers in één keer een heleboel testen en de bijhorende controles uitvoeren. Het Amerikaanse bedrijf Affymetrix is er onlangs in geslaagd om op een DNA-chip ter grootte van een vingernagel 200.000 spots te plaatsen, genoeg om alle menselijke genen erop te kunnen zetten.

octrooirechten

Tot 1995 genoten DNA-chips alleen bekendheid in een kleine kring van wetenschappers. In dat jaar publiceerde Pat Brown in Science over de nieuwe vinding. Nu werken tientallen technologiebedrijven koortsachtig aan de verfijning van de technieken. Het heeft ertoe geleid dat er nu DNA-chips in vele soorten en maten zijn, maar ook dat er een felle juridische strijd over octrooirechten is losgebarsten tussen de diverse concurrenten.

Wetenschappers vrezen een monopolisering van de DNA-chiptechnologie. Vooral Affymetrix heeft zich in dat opzicht impopulair gemaakt, door te claimen dat elke array boven de tienduizend spots een inbreuk is op haar intellectuele eigendom. Toch ziet Jörg Hoheisel, bioloog en DNA-chipexpert bij het Duitse Instituut voor Kankeronderzoek in Heidelberg, het weinig somber in: ``De oorspronkelijke rechten voor het maken van microarrays liggen bij Edwin Southern van de universiteit van Oxford. Daar kan ook Affymetrix niet omheen. Ze kunnen hooguit volhouden dat hun specifieke fotolithografische productiemethode niet zonder toestemming door anderen mag worden gebruikt.''

Hoheisel denkt dat de verschillende varianten van DNA-chip-ontwerpen uiteindelijk allemaal hun eigen niche binnen het onderzoek zullen krijgen. Zelf heeft hij daar al een voorbeeld van. Hoheisel doet onder meer onderzoek met een variant van de DNA-chip, waarbij de probes zijn gemaakt van het chemisch inerte PNA in plaats van DNA. ``Ik gebruik deze chip voor DNA-onderzoek aan bacteriën in afvalwater en dat werkt heel goed. Het afvalwater bevat vele verontreinigingen waaronder DNA-afbrekende enzymen. Standaard DNA-chips zouden daardoor gewist worden voordat je iets kan meten.''

HOOGSTANDJE

In Science van 8 september presenteren de Amerikaanse onderzoekers Gavin MacBeath en Stuart Schreiber voor het eerst een eiwit-microarray. Analoog aan de DNA-microarrays kunnen zij in één reactiestap (parallel) duizenden testen tegelijk uitvoeren. De DNA-probes zijn daarbij vervangen door eiwitprobes. Op deze manier kunnen onderzoekers in high throughput vaststellen met welke stoffen de eiwitprobes op de chip reageren. Dat is van belang om te achterhalen wat er precies in levende cellen gebeurt, maar ook om te testen of nieuwe medicijnen op de juiste manier werkzaam zullen zijn. MacBeath en Schreiber slaagden er in om meer dan tienduizend spots op een glazen plaatje van 2,5 bij 7,5 centimeter te plaatsen, en ze verwachten dat er door verbetering van de technieken nog hogere resoluties haalbaar zullen zijn.

Hoe klein de chips ook mogen zijn, er zijn nog altijd forse apparaten nodig om de fluorescentie te meten. Maar ook dat zal snel veranderen. Japanse onderzoekers onder leiding van Eiichi Tamiya van het Japan Advanced Institute of Science and Technology presenteerden in Berlijn een werkend prototype van een elektrochemische biochip. Dit instrumentje bevat 32 gouden elektrodes waarop de DNA-probes zijn aangebracht. In plaats van de gangbare fluorescerende merker gebruikt Tamiya een stroomgeleidende merker. Op de plaatsen waar het DNA-monster aan de probes is gebonden kan nu een elektrisch stroompje lopen. De detectie is zo gevoelig dat het een HIV-infectie in een bloedmonster van een patiënt kan aantonen.

Tamiya werkt nu aan de integratie van de polymerasekettingreactie op de chip. Deze reactie is nodig om het DNA uit het monster tot detecteerbare hoeveelheden te vermenigvuldigen. Het is een eerste begin van wat kan uitgroeien tot geavanceerde bedside diagnostics die het ziekenhuislab deels overbodig maakt.

Hoheisel kan zich wel vinden in dit scenario: ``Dit gaat gebeuren en al snel ook! Veel van deze miniatuur-instrumenten hebben al bewezen dat ze werken. Ze zijn voor de dagelijkse routine echter nog niet nauwkeurig genoeg om van de controlerende instanties goedkeuring te krijgen voor klinisch gebruik. Maar dat duurt niet lang meer.''

Meer informatie: www.gene-chips.com