Embedded-Prozessor macht schnelle DNA-Tests intuitiver
DNA-Test in Highspeed
Noch vor wenigen Jahrzehnten waren DNA-Analysen reine Science Fiction - heute erlauben sie Tests auf mögliche Erbkrankheiten oder auch die Aufklärung von Verbrechen. Neben der Genauigkeit (gesucht wird immerhin ein einzelner Proteinstrang) begrenzt vor allem der Zeitaufwand für die Replikation der DNA-Sequenzen in vielen Wärme-zyklen den Einsatz der DNA-Analyse. Hier soll ein neuer, schneller Thermocycler mit geringer thermischer Masse und leistungs-fähigem GUI Abhilfe schaffen.
DNA-Testverfahren lassen sich zum Beispiel einsetzen, um die DNA eines Verdächtigen mit der am Tatort gefundenen DNA zu vergleichen oder einen Virus im Blut eines Patienten zu identifizieren. Um alle erforderlichen Vergleichstests durchführen zu können, muss zunächst ausreichend DNA-Material in einer Reihe von Wärmezyklen mittels der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) aufbereitet und vervielfältigt werden, bis eine qualitative und quantitative Aussage erfolgen kann.
Bisher kann dieser Prozess Stunden oder sogar Tage dauern - zu lange für einen schnellen DNA-Test, wie er in den genannten Situationen oftmals nötig wäre. Beim Unternehmen BJS Biotechnologies erkannte man die Einschränkungen der traditionellen DNA-PCR-Wärmezyklen und war fest entschlossen, die für die DNA-Replikation nötige Zeitspanne zu verkleinern.
Das Ergebnis ist der »xxpress«, ein Thermocycler in der Größe eines Desktop-PCs, der den Ablauf der Wärmezyklen enorm beschleunigt (Bild 1). Während gewöhnliche DNA-Tests für 40 Zyklen zwischen 90 min und 120 min benötigen, können Wissenschaftler die DNA dank der geringen thermischen Masse und der leistungsfähigen grafischen Bedienoberfläche des neuen Thermocyclers in nur zehn Minuten - kopieren und die nun zahlreich vorhandene replizierte DNA quantifizieren, indem sie ihre Fluoreszenz messen. Mit der Technik lässt sich eine Probe in weniger als zehn Sekunden von +50 °C auf +100 °C erhitzen und dann wieder auf +50 °C abkühlen.
Leitende Silberblöcke
Seine ersten Erfahrungen im Bereich der DNA-Analyse sammelte BJS Technologies mit der Herstellung von traditionellen Thermoblöcken für Biotechnik-Unternehmen. Für solche Geräte sind extrem gut leitende Thermoblöcke nötig, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. BJS fertigt seine Thermoblöcke aus Silber und bringt sie durch Elektroformung in die komplexen Formen, die für den Thermozyklen-Prozess notwendig sind. Mit jahrelanger Erfahrung bezüglich der Eigenheiten des Thermozyklus machte sich das Unternehmen daran, die Probleme zu lösen, die bei extrem schnellen Wärmezyklen bestehen.
Aufgrund des Designs und der verwendeten Komponenten ermöglicht der xxpress-Thermocycler laut Angaben des Herstellers die weltweit schnellsten und thermisch einheitlichsten PCR-Tests (Bild 2). Aufgrund seiner Geschwindigkeit könne das Gerät genauso viele Prozesse abwickeln wie fünf Standard Thermocycler.
Die BJS-Lösung nutzt das Verbrauchsmaterial als elektrischen Widerstand für die Wärmeerzeugung, was zusammen mit einer aktiven Luftkühlung kurze Thermozyklen ermöglicht. Dabei kommt es entscheidend auf eine geringe thermische Masse an, denn so muss eine kleinere Wärmemenge zu- bzw. abgeführt werden. Dafür setzt BJS einen schmalen Aluminiumstreifen ein. Einzigartig ist dabei, wie die Temperatur kontrolliert wird: elektrische Ströme laufen auf unterschiedlichen Wegen über den Streifen und erzeugen die Wärme genau dort, wo sie benötigt wird.
Den Thermozyklen-Prozess auf High-Speed zu trimmen war einer der wichtigsten Erfolge. Allerdings erkannte das Team von BJS, dass schnellere Thermozyklen allein noch nicht genug sind - das Analysegerät muss auch besonders einfach zu bedienen sein. Eigene Marktforschungen von BJS Biotechnologies ergaben, dass in Test-Laboratorien oftmals nur eine einzige Person in der Lage war, das Equipment zu bedienen.
Die neue Lösung sollte hingegen jeder Biotechniker nutzen können - auch ohne spezifisches Training und Bedienungsanleitung. Sie sollte ebenso einfach zu benutzen sein wie ein guter Fernseher, jeder Anwender sollte instinktiv wissen, wie das Gerät zu bedienen ist, und es sollte den Anwender dabei unterstützen, gute Ergebnisse zu erhalten.
Es war das erklärte Ziel, dass der Nutzer bei normalem Gebrauch niemals die Gebrauchsanleitung öffnen muss. Falls doch, hätten die BJS-Ingenieure laut eigener Auffassung bei der Entwicklung der Lösung versagt. Eine der Kernanforderungen hierfür war eine flüssige grafische Darstellung, um ein interaktives Bediengefühl zu bieten.
Diese Anforderung vor Augen machten sich die BJS-Entwickler auf die Suche nach dem geeigneten Prozessor und sind letztlich bei AMD fündig geworden. Denn während andere Prozessoren nur in sehr leistungsfähigen PCs eine anständige Grafik bieten, haben die neuen AMD-APUs (Accelerated Processing Unit) eine performante Grafik zu niedrigen Kosten direkt auf dem Chip integriert. In enger Zusammenarbeit mit UI Centric, einem Unternehmen, das auf das Design grafischer Benutzerschnittstellen spezialisiert ist, entwickelte BJS ein Tablet-ähnliches Touch-Interface, das den Nutzer durch den gesamten Prozess führt.
Das GUI läuft auf einer Single-Core-APU aus der Embedded-G-Serie von AMD mit 1,3 GHz (Bild 3). Sie ist laut AMD die erste Plattform, die eine energieeffiziente Recheneinheit (CPU) mit einer leistungsstarken Grafikeinheit (GPU) auf dem Niveau einer dedizierten Grafikkarte auf einem einzelnen Embedded-Baustein integriert.
Zusammen mit der Energieeffizienz und dem kleinen Formfaktor eignet sich diese APU sehr gut für den Einsatz im xxpress-Thermocycler und ermöglichte es den GUI-Desig-nern von UI Centric, ein intuitives Touchscreen-Benutzerinterface zu entwickeln, das dem Vorgehen von Biotechnikern bei ihren Versuchsaufbauten nachempfunden ist. Die Software führt den Nutzer durch den gesamten Prozess, vom Auswählen des PCR-Typs bis hin zur Wahl der chemischen Stoffe, Plate-Typen, Anzahl der Proben und vielem mehr. Das System bietet die Möglichkeit, die Ergebnisse zu analysieren sowie in verschiedene Formate zu exportieren, wie z.B. RDML und Microsoft Excel.
Auslastung maximieren
Jedem Nutzer ordnet der xxpress-Thermocycler einen persönlichen Speicher und Sicherheitsschlüssel zu und speichert automatisch dessen Voreinstellungen, Profil und die Ergebnisse. Der Datenschlüssel ermöglicht zudem den Fernzugriff auf das GUI über PCs, sodass die Anwender zusätzliche Tests auch aus der Entfernung durchführen und analysieren können. So lässt sich die Auslastung des Geräts erhöhen.
Bei einer Zyklendauer von weniger als 10 min können bis zu fünf Tests pro Stunde und bis zu 40 Tests in einer Schicht durchgeführt werden. Weil Laboranten die Tests auch an ihrem PC planen und analysieren können, bietet der Thermocycler eine höhere Verfügbarkeit und eine sehr gute Rentabilität. Und bei DNA-Tests kommen schnellere Ergebnisse den Patienten häufig zugute.
Ein Beispiel: MRSA (Methicillin-Resistenter Staphylococcus Aureus) ist eine gefährliche Infektion, die beispielsweise in Krankenhäusern schwerwiegende Folgen haben kann, wenn sie sich dort unter den Patienten ausbreitet. MRSA-Infektionen werden durch einen Stamm von Staphylokokken ausgelöst, die gegen viele gängige Antibiotika resistent sind.
Krankenhäuser führen routinemäßig ein präoperatives Screening nach MRSA durch, damit Infizierte noch vor ihrem Krankenhausaufenthalt behandelt werden können. Diese Tests dauern in der Regel mehrere Stunden, und oft werden die Proben in ein zentrales Labor zur Untersuchung geschickt. Doch wenn ein Intensivpatient im Krankenhaus eintrifft, bleibt keine Zeit für dieses langwierige MRSA-Screening.
Die mögliche Folge: Infizierte Patienten können die Infektion in sterile Abteilungen des Krankenhauses bringen (z.B. die Intensivstation, auf der sie behandelt werden) und so wiederum andere Patienten MRSA aussetzen. Durch die Möglichkeit, die DNA-Tests nah am Patienten durchzuführen und den Testablauf mithilfe des xxpress-Thermocyclers zu beschleunigen, hat das Klinikpersonal die Ergebnisse des MRSA-Screenings in weniger als 15 min vorliegen. So können die Patienten getestet werden, wenn sie eintreffen, oder sogar noch im Rettungsfahrzeug auf dem Weg ins Krankenhaus.
Daraus ergibt sich für das Krankenhaus die Möglichkeit, Isolationsmaßnahmen zu ergreifen, um andere Patienten und das Personal zu schützen und gleichzeitig die nötige Intensivpflege zu gewährleisten. Schnellere DNA-Tests eröffnen auch Möglichkeiten für zeitnahe Tests auf Krankheiten und andere Gesundheitsprobleme in Drittwelt-Ländern, in denen Patienten mitunter sehr weite Strecken zum nächsten Arzt zurücklegen müssen.
Die xxpress-Einheit ist kompakt genug, um transportiert zu werden und ließe sich sogar durch solargespeiste Batterien betreiben. So lassen sich die Tests überall vor Ort durchführen - direkt dort, wo sie nötig sind, und auch dort, wo es keine zentralen Labors gibt oder die Kühlung der Proben nicht möglich ist. Die Tests können abgeschlossen werden, während die Patienten warten oder behandelt werden, noch bevor sie sich wieder auf den beschwerlichen Heimweg machen. BJS Biotechnologies beginnt im Herbst 2012 mit der Auslieferung der xxpress-Geräte in Europa, für Mitte 2013 ist der Start in Nordamerika geplant.
Über den Autor:
Kelly Gillilan ist Produkt Marketing Manager der AMD Embedded Solution Division.
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