Marktübersicht Real-Time-Thermocycler Die Viren-Finder – Labortechnik für die PCR

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Ein einzelnes Molekül der Erbsubstanz reicht theoretisch aus, um ein Virus zu identifizieren. Möglich wird dies durch Thermo­cycler, die das Erbgut in einer Probe vervielfältigen. Hier finden Sie einige Geräte, mit denen sich ein Corona-Test per quantitativer PCR durchführen lässt.

Täglich können in Deutschland über 200 000 Patientenproben auf SARS-CoV-2 getestet werden. Die Kapazitäten wurden im Laufe der Pandemie stark ausgebaut, trotzdem lag der bundesweite Auslastungsgrad der Labore kürzlich bei rund 90%, wie die Akkreditierten Labore in der Medizin (ALM) Mitte September berichteten. Neben dem unermüdlichen Einsatz der Laborangestellten ist auch die entsprechende Technik essenziell, um derartige Probenmengen zu bearbeiten. Für den verbreitet genutzten PCR-Test sind Thermocycler das entscheidende Laborgerät. Nachdem die Virus-RNA aus den Proben mit einer vorgeschalteten Reverse-Transkriptase-Reaktion in DNA übersetzt wurde, erfolgt im Thermocycler die Polymerase Chain Re­action (PCR). Sie vervielfältigt selbst Spuren des Erbguts, sodass sich ein Virus wie SARS-CoV-2 selektiv nachweisen lässt. Die Proben im Thermocycler durchlaufen dazu wiederholt einen dreistufigen, temperaturabhängigen Prozess (Denaturierung, An­nealing, Elongation; s. Ergänzendes zumThema am Ende des Beitrags), bei dem die DNA automatisiert vervielfältigt wird – in mehreren hundert Proben parallel.

Für quantitative PCR

Klassische Thermocycler-Modelle sind für eine Endpunkt-PCR ausgelegt. Dabei wird das genetische Material über meist 20 bis 30 Zyklen vervielfältigt und im Anschluss daran zur Analyse weitergegeben. Mittlerweile hat sich eine Variante der klassischen PCR etabliert: die so genannte Real-Time-PCR, auch bekannt als quantitative PCR oder kurz qPCR. Hierbei ist es möglich, den Verlauf der Genamplifikation quasi live mitzuverfolgen. Dies gelingt durch Zusatz spezieller Fluoreszenzfarbstoffe, die beim Vervielfältigen der DNA in diese ein- oder angelagert und aktiviert werden. Je mehr Kopien in der Probe erzeugt werden, desto mehr Farbstoff wird aktiviert. Aus dem Anstieg des Fluoreszenz-Signals kann dann die Ursprungskonzentration der Probe berechnet werden. In einem PCR-Test zum Nachweis von SARS-CoV-2 oder anderen Viruserkrankungen lässt sich so auf die Viruslast schließen.

Schnell und temperaturstabil

Wichtig für einen guten Thermo­cycler – und damit für eine schnelle und verlässliche PCR – ist eine präzise Temperaturkontrolle: Die benötigten Temperaturen der einzelnen Verfahrensschritte müssen sich möglichst schnell und möglichst präzise einstellen lassen. Hier haben die Real-Time-Geräte in den vergangenen Jahrzehnten eine bemerkenswerte Entwicklung durchgemacht und erlauben mit Heizraten von 6 °C/s und höher eine schnelle Probenbearbeitung. Auch die Temperaturuniformität ist mit Schwankungen im Bereich von wenigen zehntel bis hundertstel Grad Celsius sehr gering, was reproduzierbare Ergebnisse garantiert. Viele Real-Time-Thermocycler bieten zudem eine Gradienten-Funktion. „Mit der Gradientenfunktion kann man in einem PCR-Lauf verschiedene Annealingtemperaturen über den Block verteilt einstellen und anschließend über das PCR-Ergebnis die optimalen Annealingtemperaturen feststellen“, erklärt Maik Dirumdam von Analytik Jena. Dies sei besonders bei der Einführung neuer Methoden häufig erforderlich.

Zukunftsaussichten

Neben verbesserter Temperaturkontrolle unterstützen moderne Thermocycler die Anwender bei der Bedienung der Geräte und erlauben eine intuitive Steuerung – sogar per Sprachbefehl. Überhaupt ist die Zukunft von Real-Time-Thermocyclern geprägt von der Digitalisierung. V.a. sollen Prozesse automatisiert ablaufen. Der große Bedarf an PCR-Tests und den dafür benötigten Thermocyclern in der Corona-Krise ist sicherlich ein Treiber, um die Entwicklung neuer und noch schnellerer Geräte voranzubringen. „Der globale Trend geht durch Corona zusätzlich in Richtung vollautomatisierter Point-of-Care-Systeme. Diese Systeme sind für medizinisches Fachpersonal einfach zu bedienen, wogegen man für Real-Time-PCR-Geräte und die Interpretation der Daten eine molekularbiologische Ausbildung braucht“, wagt Andrea Janesch von Thermo Fisher Scientific einen Ausblick.

Welche Geräte der Markt aktuell bietet, zeigt das Marktübersicht-Whitepaper. Alternativ können Sie die Marktübersicht als interaktive Tabelle mit Filter und Sortierfunktion einsehen. Die Unternehmen hatten die Möglichkeit, bis zu zwei Geräte aus ihrem Portfolio vorzustellen. Die Übersicht beruht auf Selbstauskünften der teilnehmenden Firmen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Polymerase Chain Reaction (PCR)

Die PCR in einem Thermocycler läuft in folgenden drei Schritten ab, die zusammen einen Zyklus bilden. Nach jedem Zyklus verdoppelt sich theoretisch das genetische Material der Probe, sodass die DNA-Konzentration exponentiell steigt. Üblicherweise werden 20 bis 30 Zyklen durchgeführt. Die exakt einzustellenden Temperaturen der einzelnen Schritte variieren je nach Anwendung.

1. Denaturierung: ca. 94-98 °C: Trennen der DNA-Doppelstränge zu Einzelsträngen

2. Annealing: ca. 50-65 °C: Anlagern von so genannten Primer-Molekülen an den Einzelsträngen

3. Elongation: ca. 72 °C: DNA-Polymerase synthetisiert komplementäre DNA-Stränge aus Nukleotiden der umgebenden Lösung

* C. Lüttmann, Redaktion LABORPRAXIS, E-Mail: christian.luettmann@vogel.de

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