Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
W. Stöcker

Mikroarray

Mikroarray
Synonym(e)
Biochip; Chip; Genchip; DNA-Chip; DNA-Array; Oligonukleotid-Array; Peptid-Array; Protein-Array; Protein-Chip
Englischer Begriff
microarray
Definition
Flächiges Substrat für die parallele Analyse von bis zu mehreren Millionen Parametern in einer Flüssigkeit (Megaparameteranalytik). Das Substrat enthält in einer definierten Anordnung (Array) bis zu mehrere Millionen Bereiche („spots“ oder „dots“), die mit unterschiedlichen Testsubstanzen, z. B. Nukleinsäuren (DNA-Array) oder Proteinen (Proteinarray), beschichtet sind. Der Abstand zwischen benachbarten Spots ist in der Regel ≤500 μm.
Analyseprinzip
Das Mikroarray wird mit der Probenflüssigkeit inkubiert und anschließend gewaschen, um nicht gebundene Probenbestandteile zu entfernen. Mithilfe eines speziellen Auslesegeräts (Mikroarray-Scanner) werden dann diejenigen Spots identifiziert, an die sich Probenmoleküle spezifisch gebunden haben. Die Probenmoleküle werden vor, während oder nach dem ersten Inkubationsschritt mit einer Markierungssubstanz gekoppelt, beispielsweise mit einem Fluorochrom oder einem Enzym. Die Intensität eines Signals ist proportional zur Konzentration der betreffenden Substanz in der Probe.
Die Herstellung von Mikroarrays erfolgt durch positionsdefiniertes Applizieren von Mikrotropfen, welche die Testsubstanzen in gelöster Form enthalten, auf einen Träger. Zum Einsatz kommen dafür „Kontaktverfahren“ wie bei Nadeldruckern und zunehmend kontaktfrei arbeitende hochauflösende Strahldrucker mit Piezo-Keramik-Technologie, die je Spot nur 0,1–1,0 nL applizieren. Die Tröpfchen werden an definierten Positionen platziert, wie in einem Gitter (Array). In speziellen Fällen werden die Testsubstanzen auch direkt auf dem Träger an definierten Positionen synthetisiert („In-situ-Synthese“). Diese Variante findet z. B. bei der Herstellung von Oligonukleotid- und Peptid-Arrays Anwendung.
Einsatzgebiet
Biomedizinische Forschung, innerhalb derer parallel ≥100.000 unterschiedliche Nukleinsäuresequenzen, Peptide, Proteine oder Antikörper untersucht werden. Für DNA-Arrays stehen die Bestimmung der Genexpression (Genexpressionsprofile) sowie die Bestimmung von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNP, Genotypisierung) im Vordergrund. Mit Antikörper-Arrays werden in biologischen Proben definierte Antigene identifiziert. Protein- und Peptid-Arrays haben Bedeutung bei der Untersuchung von Protein-Protein- und Protein-Nukleinsäure-Wechselwirkungen sowie bei der Charakterisierung und Identifizierung von (Auto-)Antikörpern.
DNA-Mikroarrays werden in der medizinischen Laboratoriumsdiagnostik für die Mikroorganismen-Identifizierung und -Subtypisierung eingesetzt sowie für den Nachweis krankheitsassoziierter Genvarianten. Beispiele sind der Nachweis und die Subtypisierung humaner Papilloma-Viren (Humane Papilloma-Viren (HPV)) im Rahmen der Gebärmutterhalskrebsvorsorge oder die Bestimmung der mit der Zöliakie assoziierten genetischen Merkmale HLA-DQ2/8. Teilweise verwendet man sie auch, um wirksame Antibiotika zu identifizieren, als schnellere Alternative zu den herkömmlichen Resistenzbestimmungen. Diagnostische Anwendungen für Protein-Arrays liegen z. B. in der Bestimmung antinukleärer Antikörper (ANA, Autoantikörper gegen Zellkerne) sowie in der Allergiediagnostik und Infektionsserologie.
Untersuchungsmaterial
Protein- oder Nukleinsäureisolate aus Geweben und Zellen, Plasma, Serum, Liquor, Urin; für Protein-Arrays auch direkter Einsatz von Körperflüssigkeiten.
Ausrüstung
Für das Auslesen der Mikroarrays werden spezielle Scanner benötigt. Je nach Plattform sind darüber hinaus Geräte zur Inkubation und zum Waschen der Mikroarrays erforderlich.
Zur Herstellung von Mikroarrays werden spezielle Drucker (Mikroarray-Spotter) verwendet, mit denen kleinste Mengen vieler verschiedener Flüssigkeiten parallel und positionsdefiniert auf einen Träger aufgebracht werden können.
Fehlermöglichkeit
Die extreme Miniaturisierung sowie die große Anzahl der Spots machen die Mikroarray-Herstellung und -Analysen störanfällig. Für den Einsatz in der medizinischen Laboratoriumsdiagnostik sind daher im Rahmen der Mikroarray-Herstellung strikt standardisierte und validierte Prozesse sowie umfassende Qualitätssicherungsmaßnahmen erforderlich. Für die Testdurchführung sind präzise Arbeitsvorschriften, moderne und reproduzierbare Inkubationsverfahren, sowie objektive und automatisierte Auswerteverfahren unerlässlich, um eine ausreichend hohe Ergebnissicherheit und Robustheit der Analysen zu gewährleisten.
Praktikabilität – Automatisierung – Kosten
Eine Automatisierung ist aufgrund der damit verknüpften hohen Geräteinvestitionen nicht immer lohnend, wenn mit einem geeigneten System die Mikroarray-Inkubationen auch manuell mit sehr wenig Arbeitsaufwand durchgeführt werden kann. Spezielle Mikroarray-Scanner sind jedoch unverzichtbar.
Bewertung – Methodenhierarchie
Mikroarray-basierte Testsysteme können prinzipiell speziell für Multiplexanalysen ab etwa 5 Parametern vorteilhaft eingesetzt werden. Die Methode steht damit in Konkurrenz zu multiparameterfähigen Linienblots, Dot-Blots und Mikropartikel-Arrays. Im Vergleich zu diesen ermöglichen Mikroarray-Systeme systembedingt kürzere Bearbeitungszeiten (kurze Diffusionsstrecken!), geringeren Reagenzienverbrauch und eine höhere Multiplexität.