LABOR

Automatisiertes Screening der Sichelzellenanämie

Massenspektrometer läuft auf Hochtouren

Die Weltgesundheitsversammlung verabschiedete 2006 eine Resolution, die Sichelzellenanämie («Sickle Cell Disease» = SCD) als gesundheitspolitische Priorität anzuerkennen, und rief die Länder dazu auf, die Krankheit zu bekämpfen. Diese Resolution wurde 2009 auch von den Vereinten Nationen übernommen. In diesem Zusammenhang wurden weltweit zahlreiche Screening-Programme in vielen Laboren ins Leben gerufen.

SCD bezeichnet eine Gruppe erblicher Erkrankungen roter Blutkörperchen. Ursache ist abnormales Hämoglobin (HbS), das durch eine Mutation des Beta-Hämoglobins entsteht. Diese Krankheit wurde bereits im Jahr 1910 beschrieben, aber molekularbiologisch erst Jahrzehnte später verstanden. Derzeit finden sich ungefähr 80 Prozent aller Fälle von Sichelzellenanämie in tropischen Regionen, insbesondere südlich der Sahara. Aufgrund von Migrationsbewegungen steigen die Zahlen aber in den letzten Dekaden auch in Europa.

Den Anforderungen gerecht werden

Screening-Programme sind Erstmassnahmen zum Gesundheitsschutz und müssen daher auf zuverlässige Analysemethoden und Datenverarbeitungssoftware basieren. Wirtschaftlichkeit ist eine weitere Anforderung und hat zum Einsatz von Hochdurchsatz-Systemen geführt, die die Kosten der einzelnen Analysen mindern. Gleichzeitig erlauben sie durch eine grösstmögliche Automatisierung, dass sich die Ärzteteams ausschliesslich auf abnorme Proben konzentrieren. Das Massenspektrometer (Maldi-MS) von Shimadzu in Kombination mit Technologiepaketen des Unternehmens Biomaneo aus dem französischen Dijon, begegnen diesen Herausforderungen. Sie umfassen ein Probenverarbeitungs-Kit sowie Datenverarbeitungs- und Managementsoftware.

Ein zweistufiges Verfahren

Screening-Programme werden üblicherweise nach einem zweistufigen Verfahren organisiert: Bei der ersten Stufe handelt es sich in der Regel um eine Routinemetho

Bild 1: Arbeitsablauf eines automatisierten Screenings.

de, die in der Lage sein muss, pathologische Proben auch mit nur einer einzigen Mutation nachzuweisen und sie eindeutig einer von drei Gruppen zuzuordnen: Heterozygote ohne HbS-Varianten, Heterozygote mit HbS-Varianten und HbS-Homozygote. Der zweite Schritt basiert auf einer zweiten Standard-Referenzmethode und dient dazu, die ersten Ergebnisse zu bestätigen. Ein Screening auf Hämoglobinopathien lässt sich bei Neugeborenen durchführen, um eine frühzeitige Versorgung der Kinder zu sichern; das ermöglicht, die Lebenserwartung wesentlich zu erhöhen. Ein zweiter Screening-Anwendungsbereich betrifft Jugendliche oder Erwachsene im Zuge der Primärprävention, die es Menschen ermöglicht, ihren homozygoten AA- oder heterozygoten XS-Status zu erfahren. Menschen, die nur ein Sichelzell-Gen und ein normales Gen vererbt haben, besitzen eine Sichelzell-Veranlagung (SCT) und sind heterozygot-XS. Personen mit SCT zeigen für gewöhnlich keine SCD-Symptome, können aber die Veranlagung auf ihre Kinder übertragen.

Effiziente Analysemethode

Das Screening Neugeborener wird üblicherweise zentral in spezialisierten Labors durchgeführt. Die hierfür verwendete biologische Probe besteht aus einem trockenen Bluttropfen auf Vliespapier. Der Einsatz von Maldi-MS in klinischen La bors hat sich bereits bewährt, insbesondere bei der Identifikation von Mikroorganismen. Maldi-MS-Techniken werden den Anforderungen von Screening-Anwendungen gerecht, speziell hinsichtlich Automatisierung, Empfindlichkeit, Auflösung, Stabilität, Analysegeschwindigkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Analyseraten und Benutzerfreundlichkeit. Mit der Einführung eines Screenings auf Sichelzellanämie hat Biomaneo gezeigt, dass ein Benchtop-Maldi-8020-Massen

Bild 2: Spezifische Unterstützung für das Fleximass-Target.

spektrometer den oben dargelegten Qualitätskriterien entspricht und den Einsatz der Maldi-MS auf Laborebene leichter, komfortabel und schnell macht.

Neue Technik, Hochdurchsatz, Anwenderfreundlichkeit

Biomaneo hat eine «Plug und Play»-Analyselösung entwickelt, die ein Probenverarbeitungs-Kit und die Maldi-MS-Technik mit einer Software zur automatischen Ergebnisinterpretation durch Kombination mit klinischen Daten bündelt (Bild 1). Das erste NeoSickle-Kit wurde in zwei Ausführungen entwickelt: Die erste ist für Hochdurchsatz-Analysen per Roboter bestimmt; dazu wurde eigens eine Unterstützung für den Einsatz des Fleximass-Targets des Maldi-8020 entwickelt und das Roboter-Skript wurde angepasst (Bild 2). Bei der zweiten Version handelt es sich um ein manuelles Kit für Labors, die etwa 200 Proben pro Tag analysieren. Das Fleximass-Target ist für beide vorgenannten Optionen geeignet.

Auflösung – wichtiges Kriterium bei Analysen

Betrachtet man das abnormale Hämoglobin, entsteht eine SCD durch Mutationen im Beta-Hämoglobin-Gen (HbS), wodurch Glutaminsäure an Position 6 durch Valin ersetzt wird und zu einer Massenverminderung von 30 Da führt. Die erste NeoSickle-Lösung basiert auf der Analyse des gesamten Proteins, was eine ausreichende Massenauflösung bei Massen von etwa 15 kDa erfordert. Bild 3 zeigt das erwartete Auflösungsvermögen des Maldi-8020, um die verschiedenen Hämoglobinketten HbS, HbA und HbF nachzuweisen. Bei diesem ersten Ansatz ist es nicht möglich, andere Varianten von Hämoglobinketten wie HbC und HbE zu trennen, die gegenüber der normalen HbA-Kette einen Massenunterschied von 1 Da aufweisen. Der zweite, von Biomaneo genutzte Ansatz besteht deshalb aus der Analyse von Peptiden der Hämoglobinketten. Auflösung und dynamischer Bereich des Benchtop-Maldi-8020 erlauben die Auftrennung der interessierenden Peptide. Bild 4 illustriert die Möglichkeit, Probengruppen ho

Bild 3: Das erhaltene Probenspektrum aus Heterozygote AS-, Sβ+ - und Homozygote SS mit dem Nachweis von Hämoglobin HbA- und HbS-Ketten.

Prozentsatz, weniger als 3 Prozent der Erwachsenen-Hämoglobinkette verglichen mit anderen Verbindungen in der Probe (fötale Beta-Hämoglobin- und Alpha-Hämoglobinkette). Nachweis und Unterscheidung der HbS-Beta-Hämoglobinkette ist in diesen Proben sehr wichtig, um eine weitere Blutentnahme und/oder eine falsche Klassifizierung der Neugeborenen zu vermeiden. Diese Untersuchung zeigt die hohe Qualität des Maldi-8020-Gerätes anhand des Klassifikationsprozentsatzes, der bei sehr früh geborenen Babys oberhalb von 90 Prozent liegt. SCD-Screening wird in zentralisierten Laboren durchgeführt, die täglich eine grosse Zahl von Proben analysieren. Die Technik muss somit automatisiert und/ oder komfortabel für die Laboranten sein. Benutzerfreundlichkeit ist ein unverzichtbares Kriterium für den Betrieb und die Verwendung der Massenspektrometrie in Analyselaboren. Die Benutzerfreundlichlässt sich leicht auf einem Labortisch unterbringen.

500000 Tests im Jahr sind garantiert

Der Durchsatz ist in Screening-Laboren eine zentrale Bedingung, die bei der Einführung neuer Analysemethoden berücksichtigt werden muss. Die in die NeoSickleLösung eingebundene Erfassungsmethode der Spektren kombiniert mit der Leistungsfähigkeit des Benchtop-Maldi-8020 erlaubt die Analyse eines Maldi-Targets mit 48 Proben in weniger als 3 Minuten. Inklusive Target-Tausch im Gerät ermöglicht dieser Durchsatz 576 Analysen pro Stunde. Das französische Screening-Hauptlabor für SCD analysiert etwa 600 Proben tägBild 4: Analyse der spezifischen Proteine aus Hämoglobin-Ketten HbE und HbA. lich, das heisst, über 150 000 Proben pro mozygoter AA oder heterozygoter AE zu sich klar als Vorteil für Labore mit grosser, Weniger als sechs Analysestunden pro trennen. eventuell fluktuierender Mitarbeiterzahl, Tag mit einem Maldi-8020 würden ausdie nicht unbedingt auf Maldi-MS speziareichen, um alle Neugeborenen Franklisiert ist. reichs in einem einzigen Labor zu screeEmpfindlichkeit Das Maldi-8020 erfüllt diese Kriterien mit nen. und Dynamikbereich gut kalibrierten und standardisierten MeNeben dem täglichen Durchsatz stellen Andere ausschlaggebende Kriterien beim thoden. Die Bedienung des Gerätes ist die Lebensdauer des Geräts und geringe SCD-Screening sind Empfindlichkeit und intuitiv, was seine rasche Integration in Wartungsanforderungen das letzte KriteDynamikbereich des Nachweises. TatsächLaboruntersuchungen erlaubt und die Arrium dar. Um die Geräteleistung bei einer lich besitzt die Probe eines sehr früh gebeit des technischen Personals erleichtert. Zielsetzung von 500000 Tests pro Jahr zu borenen Säuglings einen sehr niedrigen Zudem ist das System sehr kompakt und erhalten, bietet das Maldi-8020 mit TrueJahr oder etwa 20 Prozent aller Geburten. keit des Benchtop-Maldi-8020 erweist Bild 5: Screenshot der NeoScreening Lims nach Analyse einer Platte.

Bild 6: Eine 3-D-Darstellung der deformierten roten Blutkörperchen.

Clean eine automatisierte Quellenreinigung. So lässt sich die Extraktionselektrode in-situ reinigen, ohne das Gerätevakuum zu brechen; es handelt sich um ein automatisiertes und rasches (<10min) UV-Laser-basiertes Verfahren. Darüber hinaus minimiert Ionenoptik mit weiter Öffnung das Risiko der Quellenverschmutzung im Laufe der Zeit und sorgt damit für eine stabile Plattform. Diese Charakteristiken und Ergebnisse zeigen die Eignung des Benchtop-Maldi-8020-Massenspektrometers für den Nachweis von Hämoglobinopathien bzw. für Hochdurchsatz-Analysen komplexer Blutproben. Es erfüllt sehr klar die Bedürfnisse von Screening-Laboren. Leistung und Geschwindigkeit der Maldi-Geräte bedeutet, dass sie nur in sehr wenigen Ausnahmefällen ausschliesslich für eine einzelne Anwendung eingesetzt werden. Für Kliniken oder Labore ist es effektiv, die in diese Technologien gemachten Investitionen optimal zu nutzen. Daher ist die Systemvielseitigkeit ein wichtiges finanzielles Kriterium, das in Betracht zu ziehen ist. Für Labore mit einer geringen Zahl an Screening-Analysen liegt der Vorteil eines Maldi-8020 im Management der Erfassungsparameter. Denn die Akquisitionsmethoden fassen alle für die Gerätekontrolle notwendigen Parameter zusammen. Das macht ein Maldi-8020 für vielfache Anwendungen einsetzbar, ohne das Risiko, Individualanalysen zu stören. Um die Leistung der automatisierten Hochdurchsatz-Datenproduktion mit einem Maldi-8020 zu steigern, hat Biomaneo ein Software-Paket entwickelt (Laboratory Information Management System = Lims), das die Ergebnisse zusammenfasst und bei der Interpretation der massenspektrometrischen Daten assistiert (siehe Bild 5). Das Lims NeoScreening erlaubt Dateien zu erzeugen, die für die Kontrolle des Maldi-8020 und den Start eines Analyselaufs notwendig sind, wobei Daten auch automatisch abgerufen werden und dann die Verarbeitung und Klassifizierung jedes Probenergebnisses erfolgt.

Kontakt Shimadzu Schweiz GmbH Römerstrasse 3 CH-4153 Reinach BL +41 61 717 93 33 info@shimadzu.ch www.shimadzu.ch

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Wasserqualität in Echtzeit

Analytik im Autoanhänger

Verschmutzungen in Gewässern lassen sich dank eines neuen robusten Messgeräts automatisch und über Wochen hinweg messen – direkt im Feld statt im Labor. Das dazu nötige Massenspektrometer steht in einem Anhänger und fährt sprichwörtlich über Stock und Stein ans gewünschte Ziel, wo gemessen werden soll. Die berechneten Resultate können auf dem Mobiltelefon in Echtzeit verfolgt werden und das klassische Nasslabor wird überflüssig.

Cornelia Eisenach¹

Regen lässt Pflanzen wachsen, aber er wäscht auch Pflanzenschutzmittel von den Feldern. So gelangen diese Substanzen in Flüsse und Bäche. Mithilfe von regelmäs sigen Wasserproben lassen sich die Konzentrationen dieser Substanzen in Gewässern überwachen. Bisher jedoch bestimmte man nur Mittelwerte oder entnahm Stichproben. Spitzenkonzentrationen, wie sie bei Regenfällen vorkommen, werden so nicht oder nur selten erfasst. Um dieses Problem zu lösen, haben Christoph Ort von der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft und Heinz Singer von der Abteilung Umweltchemie 2017 ein Projekt gestartet: Sie bestückten einen Autoanhänger mit einem hoch-empfindlichen Messgerät – einem Massenspektrometer (MS). Damit wollen sie Substanzen automatisch, kontinuierlich und direkt im Gewässer oder der Kanalisation messen, statt nach der Probennahme im Labor. Daher rührt auch der Name des Projekts «MS2field», also etwa «Massenspektrometer ins Feld».

Mit Mobiltelefon überwachen

Dank dem MS2field müssen die Wasserproben nicht mehr alle einzeln abgefüllt ins Labor gebracht und dort gelagert werden. Stattdessen wird das zu untersuchende Wasser ständig mithilfe eines Schlauchs durch den Anhänger gepumpt. Dort werden alle paar Minuten wenige Milliliter

¹ Freie Wissenschaftsjournalistin im Auftrag des Eawag Christoph Ort (links) und Heinz Singer im MS2field-Anhänger.

Wasser automatisch aufbereitet und für die Analyse an das Massenspektrometer weitergeleitet. Letzteres identifiziert ein breites Spektrum von Schadstoffen in der Wasserprobe. «So können wir hoch-dyna mische Prozesse live verfolgen, sogar auf dem Mobiltelefon», schwärmt der Umweltingenieur Christoph Ort. Bei einem ersten Testlauf im Februar 2019 untersuchte das Team um Ort und Singer Abwasser der Kläranlage Fehraltorf im Kanton Zürich. Dabei analysierten sie während vier Wochen über zweitausend Proben des Rohabwassers und deckten Schwankungen und Tagesverläufe auf, die man so bisher nicht kannte. «Mit konventioneller Probenahme und -aufbereitung hätte das mehrere Monate gedauert», sagt Ort.

Das MS2field im Einsatz in Saint-Ursanne (JU).

Bei diesen Messungen entdeckten die Forschenden etwa Stoffe, die unter der Woche tagsüber vorkommen, aber am Wochenende nicht auftauchen. Das weist auf

industrielle Abwassereinleitungen hin. Die zeitlichen Muster die MS2field generiert, können auch helfen, um andere Quellen von Verschmutzungen zu identifizieren. Oder aber um Spitzenkonzentrationen von Verunreinigungen in Abwässern nicht zu verpassen. «Man könnte das System in Zukunft auch nutzen, wenn eine Kläranlage bei Regenwetter nicht alles Abwasser behandeln kann», sagt Ort. Dann könne man stark belastetes Abwasser zurückhalten, anstatt es ungewollt in ein Gewässer zu entlasten. Schwankende Temperatur und Feuchtigkeit Was nun einfach klingt, ist hohe Ingenieurskunst. Denn ein hochempfindliches Massenspektrometer in einem Autoanhänger zu betreiben, ist nicht trivial. «Das Gerät ist für den Betrieb unter optimalen Laborbedingungen ausgelegt», sagt der Umweltanalytiker Heinz Singer. Doch im Anhänger schwanken etwa Temperatur oder Feuchtigkeit viel stärker als im Labor. Auch die Stromversorgung und die Bereitstellung von Stickstoff müssen kontinuierlich ge währleistet werden. Dass das mobile System auch ein halbes Jahr nach Projektstart zuverlässig funktionierte, freut die Forscher. Das sei nicht selbstverständlich und vor allem dem interdisziplinären Team an der Eawag zu verdanken, sind Ort und Singer unisono überzeugt. In Zukunft soll die Erfahrung der beiden dabei helfen, Massenspektrometer sogar noch kompakter zu machen. «Wir haben viel gelernt, welche Komponenten noch platzsparender verbaut und energieeffizienter betrieben werden können. Die nächste Version unseres Systems könnte weniger als halb so gross sein», schätzt Singer. Und ist sich sicher: In einigen Jahren kann man mit tragbaren Massenspektrometern für Umweltanwendungen rechnen. «Dafür haben wir in diesem Projekt einen wichtigen Schritt vollbracht – vom Labor ins Feld».

Quelle: Eawag

Christoph Ort und Heinz Singer verlegen den Ansaugschlauch vom MS2field-Anhänger zum Bach, von dem die Proben genommen werden.

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Heiß. Heißer. Chili

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Chili ist der neueste Wärme-Umwälzthermostat für geschlossene Systeme in der Unistat-Produktfamilie. Der kompakte Heiz-Thermostat überzeugt mit einem niedrigen Preis, exzellenter Thermodynamik und professionellen Reglerfunktionen für höchste Ansprüche.

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Metallsequenzen decodieren

Wenn Moleküle sprechen könnten

Künstliche Moleküle könnten eines Tages die Informationseinheit einer neuen Art von Computern bilden oder die Basis für programmierbare Substanzen sein. Die Informationen wären in der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome codiert – ähnlich wie die Abfolge der Basenpaare den Informationsgehalt der DNA bestimmt oder Sequenzen von Nullen und Einsen das Gedächtnis der Computer bilden. Einen Schritt hin zu dieser Vision haben Forscherinnen und Forscher nun gemacht.

Dr. Julia Weiler 1

Als Basis für eine Informationscodierung mit Atomen kommen sogenannte MetalOrganic-Frameworks, kurz MOFs, infrage. Dabei handelt es sich um poröse kristalline Gebilde mit einer definierten räumlichen Struktur, in die sich einzelne Atome einlagern können. Um in der Anordnung der eingelagerten Atome Informationen zu codieren, muss die Anordnung jedoch gezielt erfolgen können, veränderbar sein und auch wieder ausgelesen werden können.

Einzelne Atome werden sichtbar

Das Auslesen der Information in MOFs gelang bislang jedoch nur bei sehr einfachen räumlichen Anordnungen, die sich nicht eignen würden, um komplexe Informationen damit zu codieren. In der aktuellen Studie zeigte das Forschungsteam, dass sich mittels Atomsondentomografie auch kompliziertere räumliche Anordnungen von Metallatomen bestimmen lassen. Mit dem Verfahren, für das die Bochumer Ma

1 Ruhr-Universität Bochum

COMING SOON: DOCKING STATION FÜR DEN MICRONIC CS500 RECAPPER Ein sicheres und gleichmäßiges Verschließen von Schraubverschlüssen

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Tong Li hat sich auf die Atomsondentomografie spezialisiert.

terialwissenschaftlerin Tong Li eine Expertin ist, lassen sich einzelne Atome sichtbar machen. Die Gruppe arbeitete mit dem sogenannten MOF-74, in das sie einzelne Atome Kobalt, Cadmium, Blei und Mangan zufällig einlagerte. Anschliessend entschlüsselte sie deren räumliche Struktur.

Genauso raffiniert wie die Biologie

In Zukunft könnten MOFs die Basis programmierbarer chemischer Moleküle sein: So könnte ein MOF beispielsweise programmiert werden, einen pharmazeutischen Wirkstoff in den Körper einzubringen, dabei gezielt infizierte Zellen ansteuern und nicht mehr benötigten Wirkstoff zu harmlosen Substanzen abzubauen. Sie könnten aber beispielsweise auch für die Abscheidung von CO 2 zum Einsatz kommen und gleichzeitig dazu dienen, das CO 2 in einen nützlichen Ausgangsstoff für die chemische Industrie umzuwandeln. «Langfristig können solche Strukturen mit einprogrammierten Atomsequenzen unsere Denkweise in Bezug auf die Materialsynthese komplett verändern», so die Autoren. «Die synthetische Welt könnte ein ganz neues Level der Präzision und Raffinesse erreichen, das bislang der Biologie vorbehalten war.»

Originalpublikation Zhe Ji, Tong Li, Omar M. Yaghi, «Sequencing of metals in multivariate metal-organic frameworks», Science (2020); DOI: 10.1126/science.aaz4304

Kontakt Prof. Dr. Tong Li Ruhr-Universität Bochum Universitätsstrasse 150 D-44801 Bochum +49 234 32 26099 tong.li@ruhr-uni-bochum.de www.ruhr-uni-bochum.de