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Interview

Die Zukunft genetischer Schnelltests und Forschung mit 3D-gedruckten molekularen Chips

"Dies wird die Diagnose von Tumoren oder Krankheiten einfach und präzise machen, sowie die Art und Weise, wie wir Krankheiten diagnostizieren und behandeln, auf lange Sicht verändern."

- Sheng Liu, Entwicklungsleiter bei Pixelbio

DNA-spezifische Gentests und deren Nachweis gehören zu den sich am schnellsten entwickelnden Bereichen in der Forschung und Medizin - 3D-Drucker spielen dabei eine entscheidende Rolle. Dank ihrer Fähigkeit, individualisierte biomolekulare Chips schnell und zu einem erschwinglichen Preis herzustellen, helfen sie bei der effektiven Umsetzung dieser Innovationen.

Pixelbio ist einer der Vorreiter dieses Ansatzes. Das in Heidelberg ansässige Unternehmen ist auf genetische Testung von Einzelmolekülen spezialisiert und hat einen Weg gefunden, den medizinischen und diagnostischen Bereich mit genetischer Forschung mithilfe von 3D-gedruckten molekularen Biochips zu verändern. Durch ihre Anwendung der Einzelmolekularen Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung HuluFISH versprechen sie einen einfachen und schnellen Nachweis von Genen durch verschiedenfarbig markierte Sonden, welche sich in einem 3D-gedruckten molekularen Biochip, der mit Black Resin hergestellt wurde, erkenntlich zeigen.

Der molekulare Chip enthält verschiedenfarbig markierte Sonden und kann bis zu sieben verschiedene Gene in einer einzigen Reaktion erkennen. Die verschiedenen Farbkombinationen werden als Identifikator verwendet, welche dann unter dem Mikroskop oder mit de

Der molekulare Chip enthält verschiedenfarbig markierte Sonden und kann bis zu sieben verschiedene Gene in einer einzigen Reaktion erkennen. Die verschiedenen Farbkombinationen werden als Identifikator verwendet, welche dann unter dem Mikroskop oder mit der KI-gesteuerten Software von Pixelbio gelesen werden können.

Seit den frühen 60er Jahren hat die In-situ-Hybridisierung aufgrund ihrer Fähigkeit, spezifische Nukleinsäuren, DNA und RNA, in Geweben, Zellen, Zellkompartimenten sowie Chromosomen direkt zu lokalisieren und nachzuweisen, Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen gefunden. Bei der Methode werden in der Regel chemische oder radioaktive Sonden verwendet, um die anvisierten Gene in menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zellen sichtbar zu machen. 

Es ist aber auch möglich, fluoreszierende Substanzen zu verwenden - die sogenannte Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung oder auch FISH-Methode. Bei dieser Technik werden, wie der Name schon sagt, fluoreszierende Marker verwendet, die an das anvisierte Gen andocken und es unter dem Mikroskop sichtbar machen. Im Laufe der Jahre wurde diese Methode durch die Einzelmolekül-Detektion ergänzt, die es ermöglicht, die Genexpression in einer einzelnen Zelle durch den Nachweis einzelner RNA-Moleküle zu untersuchen - jedoch war die FISH-Methode bisher immer auf den Nachweis eines einzelnen Gens beschränkt. 

Pixelbio hat das nun geändert: Mit ihrem Produkt HuluFISH bieten sie die branchenweit erste individualisierbare Multiplex-smFISH-Lösung an, die den gleichzeitigen Nachweis einer großen Anzahl von Genen mit einem 3D-gedruckten molekularen Biochip ermöglicht, der mit dem Stereolithographie (SLA ) 3D-Drucker Form 3 hergestellt wurde.

Durch den gleichzeitigen Nachweis und die Identifizierung einer großen Anzahl von Proben hat Pixelbio das Potenzial, den medizinischen und diagnostischen Bereich zu verändern.  "[HuluFISH] wird die Diagnose von Tumoren oder Krankheiten einfach und präzise machen, sowie die Art und Weise, wie wir Krankheiten diagnostizieren und behandeln, auf lange Sicht verändern", prognostiziert Sheng Liu, Entwicklungsleiter bei Pixelbio. 

Aus Pixelbio’s kontinuierlich wachsender Bibliothek nachweisbarer Gene können sich Kunden die Sonden zusammenstellen, die sie benötigen. Damit ist HuluFISH nicht nur innovativ, sondern auch hochgradig individualisierbar und für eine Vielzahl von Tests geeignet. Die markierten Gen-Sequenzen ihrer Wahl erhalten Kunden dann bei Bestellung zusammen mit den entsprechenden 3D-gedruckten molekularen Biochips zur Durchführung der Tests.

Die 3D-gedruckten molekularen Biochips von Pixelbio bieten Möglichkeiten für eine Vielzahl von neuen Anwendungen und Forschung.

Die 3D-gedruckten molekularen Biochips von Pixelbio bieten Möglichkeiten für eine Vielzahl von neuen Anwendungen und Forschung. 

3D-Druck von molekularen Biochips

Molekulare Biochips werden für die simultane Messung von biochemischen Proben bei hohem Durchsatz eingesetzt. Dabei werden Flüssigkeiten durch Tunnel mit Durchmessern von 0,8-1,2 mm eingeleitet und in der Kammer zusammengeführt, in der sie dann mit einem Laser detektiert und identifiziert werden. Die Anforderungen an diese Chips sind abhängig von der Art und Menge der zu prüfenden Flüssigkeiten sowie dem gewünschten Ergebnis und können daher schwierig und zeitaufwendig in der Herstellung sein. 

Entwicklungsleiter bei Pixelbio, Sheng Liu, der für das Design und die Produktion der Biochips verantwortlich ist, stand bei der Entwicklung von HuluFISH vor dem gleichen Problem. Aufgrund der verschiedenen Sondentypen ändern sich die Spezifikationen des Chips fortlaufend, und die Herstellung des richtigen Prototyps kann bis zu Wochen oder sogar Monate dauern.

"Wir müssen bei der Entwicklung neuer molekularer Sonden und Chips effizienter sein, und dank der hohen Präzision und Druckgeschwindigkeit des Form 3 können wir damit nun Tunnel auf kleinstem Raum drucken, die kleiner als 1mm sind.”

Sheng Liu, Entwicklungsleiter bei Pixelbio

Die Prototypen für ihre molekularen Biochips können nun direkt vor Ort hergestellt und gedruckt werden. Liu und sein Team konnten dadurch nicht nur Kosten, sondern auch viel Zeit einsparen. Darüber hinaus konnten sie durch den Einsatz des hauseigenen SLA-3D-Drucks die Größe der Tunnel von ursprünglich 1,2 mm auf 0,8 mm reduzieren, und somit ihre Chips effizienter gestalten. 

Pixelbio arbeitet mit zwei Form 3 SLA 3D-Druckern in ihrem Forschungs- und Entwicklungszentrum in Heidelberg.

Pixelbio arbeitet mit zwei Form 3 SLA 3D-Druckern in ihrem Forschungs- und Entwicklungszentrum in Heidelberg.

Aufgrund seiner Eigenschaften, wie z. B. der geringen Opazität, hat sich Formlabs Black Resin bei der Erstellung von molekularen Biochips als sehr effektiv erwiesen. Das Black Resin hat bei der Herstellung der molekularen Biochips von Pixelbio sogar derart überzeugende Ergebnisse geliefert, dass das Unternehmen die 3D-gedruckten Chips nun auch zum direkten Testen neuer Ideen verwendet. Dadurch konnten sie Zeit und Kosten sparen sowie eine große Anzahl von Tests mit neuen Designs innerhalb weniger Tage durchführen.

"Wir stellten fest, dass wir, sobald das Design stimmte, das von uns benötigte Teil schnell und in großem Umfang mit den Druckern von Formlabs herstellen konnten, was ansonsten pro Stück sehr teuer und nicht unbedingt für unsere Bedürfnisse geeignet gewesen wäre [mit traditionellen Methoden]"

Sheng Liu, Entwicklungsleiter bei Pixelbio

Neben der Produktion der molekularen Chips hat der Form 3 auch Anwendung für die Produktion anderer Komponenten im Labor von Pixelbio gefunden. "Bei der Entwicklung unseres automatisierten Erkennungssystems können wir einige der notwendigen Kleinteile nun selbst drucken, so dass wir nicht suchen oder bestellen müssen - was normalerweise mehrere Tage dauert - der 3D-Druck hingegen nur ein paar Stunden", sagt Sheng Liu. Pixelbio produziert daher nun auch passgenaue Verschlüsse für die Flüssigkeitseinlässe ihrer Chips mit Formlabs Clear Resin, wodurch sie nicht nur Zeit und Kosten sparen, sondern ihnen auch erlaubt, unabhängig und flexibel in der Entwicklung und im Design ihrer Chips zu bleiben. 

Pixelbio nutzt den Form 3 und das Formlabs Clear Resin auch für den 3D-Druck passgenauer Verschlüsse für ihre Flüssigkeitseinlässe - das spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern ermöglicht es ihnen auch, bei der Entwicklung und dem Design ihrer Chips unabh

Pixelbio produziert mit dem Form 3 und Formlabs Clear Resin passgenaue Verschlüsse für die Flüssigkeitseinlässe ihrer Chips - das spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern ermöglicht es ihnen auch, bei der Entwicklung und dem Design ihrer Chips unabhängig und flexibel zu bleiben.

HuluFISH als Lösungsansatz für COVID-19

Die Anpassungsfähigkeit von HuluFiSH und die Möglichkeit, mehrere Gene gleichzeitig zu detektieren, hat es auch für den gezielten Nachweis des SARS-CoV-2-Virus einsetzbar gemacht. Die Sonden innerhalb des Chips können so spezifiziert werden, dass sie alle öffentlich verfügbaren Stränge des Virus' in infiziertem Gewebe oder Zellen nicht nur erkennen, sondern auch direkt bestimmen. 

Dies bietet nicht nur die Möglichkeit, das Virus selbst zu identifizieren, sondern zeigt auch Potenzial für weitere Analysen zum Verlauf des SARS-CoV-2 sowie für die Entdeckung weiterer Impfstoffe. "Wir sind zuversichtlich, dass unsere HuluFISH-Sonde die Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen beschleunigen kann, indem sie den Nachweis von SARS-CoV-2 und seines Rezeptors ACE2 mRNA auf der Ebene einzelner Zellmoleküle ermöglicht." so Sheng Liu. 

Aufgrund ihres vielversprechenden Produkts im Kampf gegen COVID-19 nimmt Pixelbio derzeit an einem internationalen Wettbewerb der National Institutes of Health teil. Die NIH haben im Jahr 2020 eine "Rapid Acceleration of Diagnostics (RADxSM)"-Initiative ins Leben gerufen, mit dem Ziel, Unternehmen zu identifizieren und zu finanzieren, die vielversprechende Technologien für COVID-19 Schnelltests entwickeln. Pixelbio befindet sich derzeit in der zweiten Runde des Wettbewerbs, nachdem sie aus 100 Wettbewerbern weltweit ausgewählt wurden.

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Die Zukunft 3D-gedruckter molekularer Biochips

Mit der Eröffnung des zweiten Labors in Hamburg verfügt Pixelbio nun über eine Form 3 an beiden Standorten. Der Drucker in Hamburg wird für den 3D-Druck der Chips genutzt, das Forschungs- und Entwicklungszentrum bleibt in Heidelberg, wo Pixelbio plant, die Anzahl der zugänglichen Sonden zu erweitern und weitere spektral abtrennbare Fluorophore zu entwickeln, einschließlich der Entwicklung weiterer 3D-gedruckter Biochips. 

Das Unternehmen erforscht zudem kontinuierlich neue Möglichkeiten, seine 3D-Drucker zu nutzen. So ist Pixelbio gerade dabei, Microarray-Chips mit dem Form 3 zu entwickeln - eine weitere Methode der Gendetektion, bei der DNA-Spots auf einen 3D-gedruckten Biochip gepresst werden.

Wenn Sie mehr über Biochips wissen möchten, lesen Sie unseren Artikel über Mikrofluidik-Chips.

Hinweis: Anwender, die in der pharmazeutischen Herstellung von Schläuchen, Verschlüssen und anderen Geräten mit Flüssigkeitskontakt tätig sind, können an BioMed Clear interessiert sein, das nach USP Class VI zertifiziert ist.