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Wandernde Teilchen

XTRA-ARTIKEL AUSGABE 2/2017

 

Was vor über 200 Jahren mit einem einfachen wissenschaftlichen Prinzip begann, hat sich zu einem Frontline-Screening-Tool in modernen Laboratorien entwickelt: die Elektrophorese.

Text: Matthias Guhl

Normale Serum-Eiweiß-Elektrophorese mit den verschiedenen Serumproteinen.

Die Ursprünge der modernen Elektrophorese begannen mit der Entdeckung elektrokinetischer Phänomene im frühen 19. Jahrhundert. Die Versuche des deutschen Physikers Ferdinand Friedrich von Reuss über die Wirkung elektrischen Stroms auf Flüssigkeiten und die Veränderung des Wassers durch galvanische Elektrizität bilden die Grundsteine der Forschung dazu.

Fast 150 Jahre später bekam der Schwede Arne Tiselius für seine Forschungen zur Elektrophorese den Nobelpreis. Der Biochemiker beobachtete, dass sich unter einem elektrischen Feld große, in Lösung befindliche Proteinfraktionen auftrennen und eine Lichtdetektionsvorrichtung in verschiedenen Intervallen durchlaufen. Tiselius’ Dissertation zum Thema „Moving boundary techniques“ und seine Forschung zur Elektrophorese und Adsorptionsanalyse sind maßgeblich für die Definition der fünf Hauptfraktionen der Serumproteine des Menschen, die auch heute noch die Basis der Elektrophorese als Diagnosewerkzeug bilden. Die rudimentäre Elektrophorese-Technologie aber hatte viele Probleme. Vor allem ihr Unvermögen, vollständig separate Proteinzonen zu isolieren, beschränkte den Einsatz. Die Nachfrage nach besseren Ergebnissen führte zur Zonen-Elektrophorese, die mit der Stabilisierung auf ein solides Trägermedium klarere Ergebnisse ermöglichte, da die Eiweiße in der entsprechenden Umgebung eine Nettoladung aufweisen und sich als geladene Makromoleküle in Banden anordnen, wo sie dann auch gefärbt werden können.

Zunächst wurde Filterpapier als Trägermedium für die Zonen-Elektrophorese verwendet. Mit Celluloseacetat und Gel-Medien konnte in den 1960er-Jahren der Prozess weiter verbessert werden. Beide Methoden lieferten schnellere Resultate, schärfere Banden und Ergebnisse, die eine densitometrische Abtastung ermöglichen. War zunächst die Celluloseacetat-Elektrophorese die populärere Methode für die routinemäßige Serumprotein- Untersuchung, wurde bald deutlich, dass Celluloseacetat darauf beschränkt war, extreme Unterschiede in den Proteineigenschaften zu erkennen. Subtile Unterschiede in den Proteineigenschaften blieben unsichtbar. Für die Zonen-Elektrophorese als dia gnostisches Tool waren eine bessere Trennung der Proteinbanden, eine einfachere Quantifizierung und eine größere Feinheit nötig. Diese Anforderungen führten zur Verbesserung der Gel-Elektrophorese. Mit ihrer exzellenten Feinheit und Nutzbarkeit stellten Gel-Plattformen das perfekte Tool für die Proteinanalyse dar.

Effizienter: Kapillarzonen-Elektrophorese

Noch heute ist die Gel-Elektrophorese die am meisten genutzte Elektrophorese-Methode. In den letzten zehn Jahren zeigte sie aber auch ihre Schwächen: Wegen der Forderung nach einer höheren Verarbeitungsmenge von Proben waren die Labore gezwungen, Wege zur Steigerung der Verarbeitungsmenge und zur Verbesserung der Arbeitsabläufe zu finden. Für viele Labore war die Kapillarzonen-Elektrophorese (Capillary Zone Electrophoresis, CZE) die Lösung.

Gemessen an wissenschaftlichen Grundsätzen steckt die Elektrophorese in den Kinderschuhen und muss sich den wichtigsten Fortschritten noch stellen. Mit der Entwicklung der Kapillarzonen-Elektrophorese ist die Entwicklungsgeschichte noch lange nicht beendet. In den letzten Jahren etablierte sich die Kapillarelektrophorese und zeichnet sich durch eine hohe Trenneffizienz, gute Automatisierbarkeit und ein breites Anwendungsspektrum aus. In modernen automatisierten Laboren hat sich die Kapillarelektrophorese zur Analytik von Proteinen schon lange durchgesetzt.

Seit Oktober 2016 vertreibt Sysmex Deutschland die für eine hohe Qualität bekannten Produkte zur Gel- und Kapillarelektrophorese der Firma Helena Bioscience aus Großbritannien. Das breite Portfolio umfasst Anwendungen aus Serum, Urin- und Blutproben für unterschiedliche diagnostische Fragestellungen. Das hochautomatisierte Kapillarelektrophorese-System V8 Nexus gehört zu den modernsten seiner Art im Bereich der Workflow-Optimierung und bedienerfreundlichen Softwaresteuerung. Dabei integriert die Onboard-Liquid-Handling-Funktion des Systems nicht nur die Vorbereitung der Gele, sondern führt Ergebnisse in der Platinum- Software intelligent zusammen. Das optional erhältliche Expertensystem stellt ein Regelwerk zur schnelleren und standardisierten Befundung und zum Erkennen von Auffälligkeiten zur Verfügung.

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