Das Applied Biosystems GeneChip-System (ehemals Affymetrix GeneChip) unterstützt sowohl die DNA- als auch die RNA-Analyse und bietet entscheidenden Mehrwert für zahlreiche Anwendungen.
Molekulargenetische Untersuchungen werden häufig mit Hilfe sogenannter Gen- oder Biochips durchgeführt. Die modernen Systeme ermöglichen die parallele Analyse mehrerer hunderttausend Einzelnachweise anhand kleinster Blut- oder Gewebeproben. Die Applied Biosystems GeneChip-Technologie ist ein bewährtes Verfahren, um schnell hohe Datenmengen zu generieren und wertvolle Ansätze für weitere Untersuchungen zu erhalten.
Bereits seit 2009 leitet Dr. Anna Henger den Bereich Genexpression und Genotypisierung bei Biolytix. Die Chemikerin hat die Arbeit mit dem GeneChip-System von Beginn an begleitet. Als Expertin für Genexpressionsanalysen gibt sie im Interview Antworten auf grundlegende Fragen zu den Microarrays und erklärt, warum Applied Biosystems nicht nur für die Medizin und Forschung einen wichtigen Mehrwert bietet. Microarrays werden ebenso in der Genomanalyse und Diagnostik angewendet. Mit ihnen können nicht nur menschliche Proben analysiert werden. Sie werden in vielen Studien mit Tieren, Pflanzen oder Pathogenen eingesetzt.
Was ist das Grundprinzip der Applied Biosystems GeneChip-Technologie?
Das Applied Biosystems GeneChip-System ist eine kommerzielle Microarray-Plattform. Es gibt verschiedene Formen von Microarrays, die – wie bei Applied Biosystems – auch als Genchip oder Biochip bezeichnet werden. Wie ein Computerchip enthalten sie viele Informationen auf kleinstem Raum. Durch das Microarray-Verfahren können bestimmte Gene identifiziert und ihre Aktivität gemessen werden. In der Molekularbiologie sprechen wir von der Genexpressionsanalyse. Zum Beispiel können wir aufzeigen, wie Zellen auf eine bestimmte Behandlung reagieren.
Im Vordergrund stehen in der Genexpressionsanalyse Genprodukte wie auch “Splice“ Varianten. In diesem Zusammenhang sind Aussagen über Genregulation möglich. Wir bekommen dadurch einen Überblick über zelluläre Funktionen. Beispielsweise können verschiedene Gewebe, Gewebe unterschiedlicher Entwicklungsstadien, normale und pathologische Gewebe oder behandelte und unbehandelte Zellen verglichen werden.
Welche wichtigen Vorteile bieten die Applied Biosystems GeneChips?
Die Applied Biosystems Arrays können sowohl auf RNA- als auch auf DNA-Ebene für Proben verschiedener Spezies – sprich Menschen, Tiere, Pflanzen oder Pathogene – angewendet werden. Für die Probenpräparation sind zwar unterschiedliche Kits nötig, aber grundsätzlich verläuft das Verfahren sehr ähnlich. Und: Alle Microarrays können mit dem gleichen Apparat prozessiert werden. Mit den Applied Biosystems Arrays können wir grosse Datenmengen generieren, die Aussagen über das ganze Genom zulassen, um komplexe Mechanismen aufzuklären, denen biologische Prozesse oder Krankheiten zugrunde liegen.
In welchen Bereichen wird die Applied Biosystems GeneChip-Technologie angewandt?
Das Anwendungsgebiet von GeneChips ist breit gefächert – von der Arzneimittelforschung sowie pharmazeutischen Studien über die klinische Forschung an Universitäten bis hin zur Diagnostik.
Wie schon erwähnt ist ein grosser Anwendungsbereich die Genexpressionsanalyse zur Ermittlung induzierter oder reprimierter Gene, was einen Überblick über zelluläre Funktionen ermöglicht.
Bei der Diagnose genetischer Erkrankungen können mit dem GeneChip von Applied Biosystems bereits geringe Abweichungen in der Gensequenz identifiziert werden, wenn Genome von Patienten mit den Proben gesunder Menschen verglichen werden. Weitere Anwendungsgebiete sind toxikologische Analysen oder die Validierung von Wirkstoffzielen bestimmter Medikamente.
GeneChips werden ebenfalls in der landwirtschaftlichen Genomik oder Agrigenomik eingesetzt. Mithilfe dieser Technologie können für wirtschaftlich wichtige Arten (Tiere, Pflanzen usw.) relevante genetische Marker leicht identifiziert und so Anbau- und Zuchtentscheidungen getroffen werden.
Warum sind die Applied Biosystems GeneChips für die personalisierte Medizin so wichtig?
Im Bereich der Genexpressionsanalyse geben die Daten Einblick in das Expressionsniveau des gesamten Transkriptoms und ermöglichen die Identifikation von RNA Biomarker, Splice Varianten, Pathways (Signaltransduktionswege) und Genregulation
In der Toxikogenomik werden die GeneChips eingesetzt, um die Genexpressionsmuster und ihre Veränderungen infolge therapeutischer oder umweltbedingter Einflüsse zu untersuchen.
In der genetischen Diagnostik werden die Proben auf Einzelnukleotid-Austausche (SNPs) und Kopienzahlvariationen (CNVs) analysiert. In genomweiten Assoziationsstudien (genome-wide association studies, GWAS) an grossen Kollektiven von Patienten und Probanden können so im gesamten Genom DNA-Varianten identifiziert werden, die auf der Basis statistischer Analysen mit Krankheiten assoziiert sind. Nach weiteren Abklärungen kann das der Ansatz für die therapeutische Anwendung individualisierten Medizin sein. Patienten können also schneller eine für sie geeignete Therapie erhalten und das Gesundheitswesen wird effizienter.
Was kann die Microarrays -Technologie besser als andere molekulargenetische Methoden?
Wir erhalten mit den Microarrays in kurzer Zeit eine grosse Datenmenge aus kleinstem Probenmaterial – und damit verschiedene Ansätze beziehungsweise einen Überblick auf das Geschehen im ganzen Genom und Transkriptom. Mit Hilfe weiterer Verfahren gilt es diese dann zu filtern, zu analysieren und verifizieren. Für verschiedene Fragestellungen gibt es spezifische Microarrays. Zudem ist die Technologie seit mehr als zwei Jahrzehnten auf dem Markt. Es gibt also zahlreiche Datenbanken, auf die Forschende zugreifen und sich austauschen können.
Welchen Mehrwert bietet Biolytix als Speziallabor seinen Kunden in Hinblick auf die GeneChip- Technologie?
Die GeneChip Technologie ist ein erprobtes und etabliertes System. Die Arrays wurden innerhalb der letzten zwanzig Jahre stetig verbessert und aktualisiert. Biolytix als Unternehmen arbeitet von Beginn an mit der Technologie und hat ihren Fortschritt begleitet. Das heisst: Wir kennen die Entwicklung, die Updates und vor allem die Möglichkeiten, die das Applied Biosystems GeneChip-Verfahren bietet. Als Speziallabor können und haben wir bei Biolytix kleinere Probensamples ebenso wie mehrere hundert Proben – wie beispielsweise bei grösseren klinischen Studien untersucht. Wir generieren die Daten bei uns im Labor und übergeben nach einer Qualitätskontrolle die Rohdaten an den Kunden.
Inwieweit kann der Kunde die erhaltenen Daten bei sich im Haus auswerten?
Es gibt heutzutage anwenderfreundliche Software für die initiale Analyse. Beispielsweise für Genexpressionsanalyse bietet die Transcriptome Analysis Console (TAC)-Software eine schnelle, einfache Lösung um globale Expressionsmuster von Genen und Signaltransduktionswegen wie auch Exons und Splice-Varianten zu analysieren und zu visualisieren. Aber natürlich sind die Tools nur bis zu einem gewissen Grad anwendbar. Sie sorgen für einen guten Überblick. Um weiter in die Tiefe zu gehen, ist das Know-how eines Biotechnikers oder Bioinformatikers nötig, der mit weiteren Tools und der entsprechenden Erfahrung ansetzt und tiefer einsteigt.
Gibt es vergleichbare Verfahren, die künftig mit Microarrays konkurrieren könnten?
Ein mögliches Konkurrenzprodukt könnte Next-Generation Sequencing (NGS) darstellen. Das ist eine neuartige Technologie der Nukleinsäureanalytik. Dennoch möchte ich NGS und Microarrays nicht unbedingt als Konkurrenz sehen, weil sich die Methoden grundlegend voneinander unterscheiden. Auch hier sind Aussagen über das gesamte Genom und für alle Spezies möglich. Im Gegensatz zu anderen Sequenzierungsverfahren können mehrere hundert Millionen Fragmente in einer Probe sequenziert werden. Die NGS-Technologie wird zum Beispiel eingesetzt, um relevante Gene zu identifizieren – unter anderem für die Früherkennung von Tumorerkrankungen.
Mit NGS können auch neue Regionen im Genom, zusätzliche differenziell exprimierte Gene und Signaltransduktionswege beleuchtet werden. Aber ein Grossteil der zusätzlichen Daten wäre für die Aussage in vielen Studie nicht relevant. Also anders als bei NGS kann bei den Microarrays nur der Bereich aus dem Genom, der in den einzelnen Proben repräsentiert ist, analysiert werden.
Dennoch bieten Microarrays einige Vorteile: Microarray-Daten sind hinsichtlich der Grösse besser zu handhaben als NGS -Datensätzen. Die riesigen Datenmengen durch Next-Generation Sequencing können je nach Fragestellung ein Vorteil sein. Gleichzeitig können sie auch eine Herausforderung selbst bei einfachen Studien aufgrund der Datenmenge darstellen, weil die Softwareentwicklung noch nicht weit genug ist, um eine automatische Auswertung zu gewährleisten.
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden eine grosse Anzahl Microarray-basierter Studien durchgeführt. Es wurden Standards eingeführt, die die Qualität der Daten abschätzen lassen. Diese Datensätze, ergänzt durch öffentliche Datenbanken wie GEO und Array Express oder DrugMatrix, haben leicht zugängliche und analysierbare Datenbanken geschaffen, die als wichtige Referenz für neue Analysen und Interpretationen der Daten dienen.
Im Gegensatz dazu sind für NGS-Daten keine solchen Referenzdatenbanken verfügbar, was derzeit die Interpretation der Daten einschränkt. Es besteht ein klarer Bedarf, diese Datenbanken aufzubauen, um Microarray-Daten besser zu nutzen, um die Interpretation von NGS-Daten zu erleichtern und um die nahtlose Übersetzung und den Vergleich von NGS- und Microarray-Daten zu ermöglichen.
Letztlich haben beide Methoden ihre Berechtigung und finden ihre Anwendung je nach Fragestellung. Aber: Die Applied Biosystems GeneChip-Technologie bietet aktuell einfach ein stabiles, kontinuierlich aktualisiertes Konstrukt aus zwei Jahrzehnten Forschung und Entwicklung.
