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Hochdurchsatz-Screening Volumenveränderungen in Mikroplatten sensitiv Überwachen

| Autor / Redakteur: Tanya Knaide* und John Thomas Bradshaw*, Bill Gigante** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Was passiert mit Proben, wenn sie lange Zeit den Umgebungsbedingungen im Labor ausgesetzt werden? Gerade bei Mikroplatten mit ihren kleinen Volumina können gravierende Fehler auftreten. Mit einer speziellen Technik kann dies überwacht werden.

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Abb. 1: Das VMS misst das tatsächliche abgefüllte Volumen in Mikroplatten (eingeklinkt: Veränderung des gemessenen Volumens im Lauf der Zeit bei dem Vergleich von Wasser und DMSO, s. Tabelle 1).
Abb. 1: Das VMS misst das tatsächliche abgefüllte Volumen in Mikroplatten (eingeklinkt: Veränderung des gemessenen Volumens im Lauf der Zeit bei dem Vergleich von Wasser und DMSO, s. Tabelle 1).
(Bild: Artel )

Dank technischer Weiterentwicklungen, um die Anforderungen des Hochdurchsatz-Screenings zu erfüllen, ist die Automation in modernen Arzneimittelforschungslaboren mittlerweile Alltag. Mit der zunehmenden Probendichte beim Screening neuer Wirkstoffkandidaten spielen Menschen jedoch eine immer kleinere Rolle im Screening-Prozess, und mitunter wird der korrekte Umgang mit den Proben vernachlässigt. Eine der wichtigsten Quellen von Zufallsfehlern sind Umgebungsfaktoren wie die Luftfeuchtigkeit und Temperatur im Labor. Die Probenplatten werden üblicherweise entsiegelt bzw. abgedeckt und in einem Karussell eines Robotersystems gestapelt oder auf die Plattform eines Hochgeschwindigkeits-Pipettierroboters geladen. Mitunter dauern solche Vorgänge stundenlang, was zur Folge hat, dass die letzte im Roboter bearbeitete Platte der Laborumgebung viel länger ausgesetzt war als die erste. Je nach Flüssigkeitsmatrix der Probe und Umgebungsbedingungen kann das Volumen von flüssigen Proben durch Verdunstung abnehmen oder durch Absorption von Wasser aus der Luft zunehmen.

Solche Volumenveränderungen können die Ergebnisse eines Experiments beeinflussen, da sich dadurch auch die Konzentration des Wirkstoffkandidaten auf unerwartete Weise verändert. Wenn die Absorption bzw. Verdunstung untersucht und verstanden wird, können Wissenschaftler die notwendigen Vorkehrungen treffen, um die Zahl der durch die Laborumgebung verursachten Volumen- und Konzentrationsfehler zu verringern.

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Volumenmesstechnik und deren Anwendung bei Mikroplatten

Eine schnelle und einfache Methode, um sich ein Bild vom Grad der Absorption und Verdunstung bei Platten zu machen, ist die Überwachung geringfügiger Volumenveränderungen im Verlauf eines normalen Arbeitstages mit dem VMS (Volume Measurement System) von Artel. Das VMS ermittelt schnell das jeweilige Probenvolumen in jedem Well von 96- oder 384-Well-Platten. Auf der allgemeinen Gasgleichung beruhend misst das System den Druck eines bekannten Volumens von Luft, das in die versiegelten Wells einer Platte injiziert wird, und berechnet, wie viel Well-Volumen durch die flüssige oder feste Probe belegt ist.

Zur Demonstration der VMS-Technik wurde ein Experiment durchgeführt, in dem die durch Umgebungseinflüsse verursachten Volumenveränderungen in 384-Well-Platten (Greiner 781201) gemessen wurden. Platte 1 und Platte 2 wurden jeweils unter Verwendung eines kalibrierten Handpipettierers mit 50 μl Dimethylsulfoxid (DMSO, Sigma Aldrich 276855) in Spalten 1 – 12 und 50 μl Wasser für Gewebekulturen (Sigma W3500) in Spalten 13 – 24 gefüllt. Das Ausgangsvolumen in jedem Well der beiden Platten wurde mit dem VMS gemessen und als Zeitpunkt 0 erfasst. Danach blieben die beiden Platten auf der Laborbank stehen und wurden in vorgegebenen Zeitabständen gemessen. Platte 1 war nicht gegen Umgebungseinflüsse geschützt, während Platte 2 durch eine Kunststoffabdeckung (VWR 28317-488) geschützt wurde. Das Volumen in jedem Well der beiden Platten wurde einmal pro Stunde (Zeitpunkt 1 bis Zeitpunkt 8) mit dem VMS gemessen. Die Abdeckung von Platte 2 wurde nur einmal pro Stunde kurzzeitig entfernt, um die Messung durchzuführen. Temperatur und Luftfeuchtigkeit des Labors wurden bei diesem Experiment nicht reguliert, jedoch für jeden Zeitpunkt protokolliert.

Die Ergebnisse des Experiments sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die für die einzelnen Zeitpunkte angegebenen Volumina stellen die durchschnittliche Volumenveränderung dar, das heißt die durchschnittliche Menge des in den Wells absorbierten bzw. verdunsteten Wassers zum betreffenden Zeitpunkt im Vergleich zum Ausgangsvolumen. Positive Werte entsprechen einer Volumenzunahme, negative Werte einem Volumenverlust. Das Ausgangsvolumen jedes Wells betrug ca. 50 μl.

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