Nuove tecnologie per l'elettroforesi

Nov 10, 2023

Angelo DePalma è uno scrittore freelance che vive a Newton, nel New Jersey. Puoi contattarlo a [email protected].

Concepita alla fine degli anni '80, l'idea del "lab-on-a-chip" mirava a creare l'equivalente di un intero laboratorio analitico su lastre di silicio, vetro e plastica delle dimensioni di una scatola di fiammiferi. La maggior parte di questi dispositivi erano basati sull'elettroforesi capillare, una modalità analitica che rimane dominante nei dispositivi analitici microfluidici.

Il sogno di fabbricare qualcosa che assomigli a un intero laboratorio su un substrato delle dimensioni di una scatola di fiammiferi non è mai stato realizzato, ma è emersa una strumentazione commerciale che esegue una semplice elettroforesi su chip. Questi servono principalmente le scienze della vita, compresa la diagnostica medica. Un rapporto di ricerche di mercato stima un robusto tasso di crescita annuo del 7% per tali sistemi.

PerkinElmer offre due piattaforme di elettroforesi microfluidica: l'analizzatore di acidi nucleici LabChip® GX Touch™ per DNA e RNA e il sistema di caratterizzazione proteica LabChip® GXII Touch™ per proteine ​​e glicani. Entrambi i sistemi forniscono piattaforme ad alta produttività per la separazione, il dimensionamento e la quantificazione di biomolecole basate sull'elettroforesi. PerkinElmer ha sviluppato speciali metodi di microfabbricazione che incorporano canali di piccole dimensioni in microchip di vetro e quarzo sottili. I microchip si interfacciano con lo strumento tramite contenitori in plastica per facilitare il caricamento del campione e il collegamento con la strumentazione.

"I principali vantaggi dell'analisi biomolecolare basata su microfluidica rispetto a quella basata su gel sono la produttività, la risoluzione, la facilità d'uso, la sensibilità e la versatilità", afferma James Atwood PhD, direttore generale dell'automazione e della microfluidica presso PerkinElmer. "L'elettroforesi su gel tradizionale richiede molto tempo, è laboriosa, soggetta a variabilità e consuma grandi quantità di campioni preziosi."

I test basati su microfluidica LabChip consumano solo 150 nanolitri di campione per separazione e sono compatibili con campioni di acido nucleico e proteine ​​negli intervalli di concentrazione bassi pg/μL e ng/mL, rispettivamente. La produttività fino a 384 campioni per ciclo per LabChip supera di gran lunga quella dei sistemi basati su gel e delle biomolecole, come i glicani N-legati, che non sono modificabili con la separazione basata su gel per elettroforesi ma possono essere separati e rilevati in sistemi microfluidici. Un altro importante vantaggio della separazione biomolecolare basata sulla microfluidica è la separazione e la quantificazione delle proteine ​​native, basata esclusivamente sulla carica, per rilevare varianti di carica. L'elettroforesi su gel non può risolvere le varianti di carica proteica.

Nei tipici flussi di lavoro di spettrometria di massa basati sull'elettroforesi su gel, i composti vengono prima separati nel gel, quindi le bande corrispondenti alle biomolecole di interesse vengono asportate. Nei flussi di lavoro proteomici, le proteine ​​vengono degradate enzimaticamente e i frammenti peptidici vengono estratti dal gel prima della LC-MS/MS. Sebbene questo approccio presenti numerosi vantaggi, tra cui il fatto di essere una modalità di separazione ortogonale, è estremamente noioso.

Sono stati sviluppati diversi sistemi basati sulla microfluidica che consentono l'accoppiamento diretto di un chip microfluidico a un sistema HPLC e uno spettrometro di massa. In questi sistemi microcromatografici, i canali microfluidici sono riempiti con una fase stazionaria specifica per la modalità di separazione desiderata. Ciò consente la cattura e/o la separazione automatizzata delle biomolecole direttamente sul chip con eluizione, ionizzazione e rilevamento nello spettrometro di massa. A differenza degli approcci basati su gel, i sistemi di microcromatografia sono facili da automatizzare e possono essere personalizzati per prendere di mira specifiche biomolecole di interesse in base alla modifica del materiale di imballaggio.

I chip utilizzati con il sistema Agilent 2100 Bioanalyzer sono costituiti da un contenitore di plastica con 16 pozzetti utilizzati per l'applicazione di reagenti e campioni. Ogni chip è etichettato con identificatori per tipo di analisi, numero di lotto e configurazione del chip specifica per l'analisi. Il chip di vetro incorpora microcanali incisi ed è incollato sul retro del caddy. "Il processo di produzione del chip di vetro e del canale di separazione è simile a quello dei dispositivi a semiconduttore", afferma Eva Graf, product manager per i bioanalizzatori presso Agilent Technologies (Santa Clara, California). Agilent utilizza speciali maschere protettive per i chip di proteine ​​e acidi nucleici, che rispecchiano la struttura del canale. Quando i frammenti di vetro vengono esposti all'agente di incisione, solo i canali vengono incisi nel vetro. La restante superficie del truciolo è protetta dalla maschera.