Analytical protein microarrays: : Advancements towards clinical applications

Abstract

Protein Mikroarrays stellen eine leistungsstarke Technologie mit einem breiten Spektrum an Einsatzmöglichkeiten dar. Medizinische Diagnostik, Pharmaforschung, Lebensmittelsicherheit oder Umweltmonitoring - zahlreiche Anwendungsgebiete können von dieser Technologie profitieren. Bisher kamen Protein Mikroarrays vor allem in der Grundlagenforschung zur Anwendung, während ihr Potential in klinischen und industriellen Bereichen noch nicht voll ausgeschöpft ist. Die wichtigsten Charakteristika analytischer Protein-Mikroarrays sind hoher Durchsatz und relativ niedrige Kosten aufgrund des minimalen Verbrauchs an Reagenzien; Multiplexing, kurze Analysenzeiten, und die Möglichkeit der funktionellen Integration in kompakten Messinstrumenten oder Lab-on-Chip Systemen. Noch wird die Methode in erster Linie in Forschungslabors verwendet. Damit die Technologie an Attraktivität für den diagnostischen Markt gewinnt, müssen weitere Verbesserungen hinsichtlich Messempfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Analysezeiten erreicht werden. Weiters muss die Automatisierung und Entwicklung von Point-of-Care Systemen vorangetrieben werden, und die Kosten der erforderlichen Instrumente für die Chipherstellung und Auslese reduziert werden. Die wichtigste Ergebnisse der vorliegenden Arbeit waren: die Einführung eines kombinierten Assay-Formats, das einerseits für die gleichzeitige Messung von Analyten in sehr hohen (µg/mL) und sehr niedrigen (pg/mL) Konzentrationsbereichen geeignet ist und zweitens in einem automatisierten System einsetzbar ist. Weiters Protokolle für verkürzte Analysenzeiten; die Optimierung der Assays in komplexen biologischen Flüssigkeiten, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen; die Auswertung und Charakterisierung von Oberflächenmodifizierungen für Mikroarrays auf Glas, Metall und polymeren Trägern; und die Herstellung, Charakterisierung und Integration von Nanostrukturen für plasmonische Biochips als Mittel zur Verstärkung von Fluoreszenzsignalen. Mit den erzielten Ergebnissen konnten somit Verbesserungen bezüglich Sensitivität und Analysenzeit erreicht werden und die Basis für weitere Chipentwicklungen im diagnostischen Bereich gelegt werden.

Protein microarrays represent a powerful technology with the potential to serve as tools for the detection of a broad range of analytes in numerous applications such as diagnostics, drug development, food safety, and environmental monitoring. So far, especially fundamental studies in molecular and cell biology have been conducted using protein microarrays, while the potential for clinical and industrial applications is not yet fully exploited. Key features of analytical protein microarrays include high throughput and relatively low costs due to minimal reagent consumption, multiplexing, fast kinetics and hence measurements, and the possibility of functional integration. Still, to date the technology is primarily used in research laboratories due to some technical hurdles and a lack of approved standards. Issues that need significant improvement to make the technology more attractive for the diagnostic market are for instance: too low sensitivity and deficiency in reproducibility, inadequate analysis time, lack of automation and portable instruments, and cost of instruments necessary for chip production and read-out. The scope of the thesis at hand was to solve some of these problems. Main achievements reported herein are: the introduction of a combined assay format for the simultaneous measurement of high and low abundant analytes applicable for automated measurements; protocols for reduced assay times; the optimization of assays in complex biological fluids achieving high sensitivity; the evaluation and characterization of surface chemistries on glass, metal and polymeric supports for the integration into a biochip; and the characterization and integration of nanostructures manufactured by nanoimprint lithography for application in plasmon enhanced fluorescence read-out. Based on the improvements in sensitivity and analysis time achieved herein further chip developments in the diagnostic field will be pursued.