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Chitosan in Mikrofluidik Systemen

In Mikrofluidik Systemen können Analysen im minituarisierten Maßstab ohne die Verwendung von aufwendigen Laborgerät durchgeführt werden. Dabei stellt die DNA Aufreinigung und Konzentrierung eine besondere Herausforderung dar. Um diese zu verbessern wird in der vorgestellten Studie ein Einwegmikrofluidik Gerät mit verschiedenen Chitosanen zur DNA Bindung funktionalisiert. Verwendet wird dieses anschließend für den Nachweis von eDNA invasiver Arten aus Flusswasserproben.

AUF DER SUCHE NACH DEM EINDRINGLING – WIE CHITOSAN IN MIKROFLUIDIK SYSTEMEN BEI DER ERKENNUNG INVASIVER ARTEN HELFEN KANN

Single-use microfluidic device for purification and concentration of environmental DNA from river water. Carvalho,J.; Di´eguez, L.; Ipatov, A.; Guerreiro, J.R..; Garrido-Maestu, A.; Azinheiro, S.; Prado, M.; Talanta 226 (2021) 122109

Die Einwanderung von invasiven Arten, wie die Süßwassermuschel Dreissena polymorpha, können verschiedene wirtschaftliche und umwelttechnische Probleme auslösen. Zum Beispiel verstopfen die sogenannten Zebramuscheln Abwasserrohre oder verdrängen einheimische Arten. Aus dem Grund ist es wichtig das Vordringen dieser rechtzeitig festzustellen. Nachweisen kann man diese zum Beispiel durch das vorhanden sein von sogenannter environmental DNA (eDNA). Bei eDNA handelt es sich um DNA die direkt aus Umweltproben wie Boden, Salz- oder Süßwasser gewonnen werden. Quellen dieser DNA sind z.B. Fäkalien, Kadaver, Keimzellen oder Hautschuppen.

Eine einfach handhabbare Methode zum Nachweis von DNA können DNA-basierte Mikro-total Analysensysteme (µTAS) sein. Miniaturisierte Analyseplattformen haben die Vorteile, dass sie z.B. tragbar und automatisierbar sind, keine aufwendigen Laborgeräte benötigen und eine geringere Gefahr von Kontaminationen besteht. Eine volle Integration aller Prozessschritte scheitert aber oft an der Probenvorbereitung. Vor allem durch die enorme Vielfältigkeit und Komplexität von Proben aus unterschiedlichen Quellen ist diese oft schwierig. Außerdem erschweren hoch fragmentierte DNA oder Kontaminationen den Prozess. Besonders bei der Identifizierung von Organismen über eDNA stellen die geringen Konzentrationen eine Herausforderung dar.

In dem vorgestellten Paper wurde ein Einwegmikrofluidik Gerät entworfen für die Reinigung und Konzentration von eDNA. Dafür wurde eine Mikrofluidikkammer entwickelt an der die DNA an Mikrosäulen aus PDMS (Polydimethylsiloxan) gebunden wurde. Um höhere Ausbeuten und eine pH-abhängige DNA Reinigung zu ermöglichen, wurden diese mit verschiedenen Chitosanen funktionalisiert. Durch die positive Ladung der primären Amine bei niedrigen pH (unter pKa 6,3-6,5) kann die negativ geladene DNA dort gut binden. Außerdem weisen Chitosane im Gegensatz zur Verwendung von Silica für die Konzentrierung von DNA den Vorteil auf, dass keine Reagenzien verwendet werden müssen die später die PCR stören. Insgesamt wurden dafür drei verschiedene Chitosane verwendet: Low Molecular Weight (LMW) Chitosan (MW 50-190 kDa; DD 75-85 %), Chitosan Laktat (MW ≤ 5 kDa; DD > 90 %), Chitosan Oligomer (MW ≤ 5 kDa; DD ≥ 75 %). Das Chitosan Oligomer stammte dabei von der Heppe Medical Chitosan GmbH. Neben der Art des Chitosans, wurden außerdem der Einfluss der verwendeten Konzentration und die Dauer der Funktionalisierung untersucht. Anschließend wurde das optimierte Mikrofluidik Gerät für die Detektion von eDNA von Dreissena polymorpha in Flusswasserproben getestet. 

Ergebnisse

  • Die besten DNA Bindungskapazitäten wurden bei dem LMW Chitosan (89,6 %) und dem Chitosan Lactat (90,6 %) gefunden, das Chitosan Oligomer hat lediglich 30,4 % der eingesetzten DNA gebunden aufgrund seines geringen MW und DD
  • Allerdings wurde dort die höchste Rückgewinnung von DNA beobachtet (12,6 %). (LMW Chitosan: 6,6 %, Chitosan Oligosaccarid Lactat: 10.1 %)
  • Keine signifikante Änderung der DNA Ausbeute bei Verringerung der DNA Konzentration des LMW Chitosans von 1% auf 0,15 %
  • Verringerung der DNA Bindung (von 90,6 % auf 64,1 %) und Rückgewinnung (von 10,1 % auf 4,1 %) bei reduzierter Chitosan Oligosaccarid Lactat Konzentration von 1% auf 0,15 % (w/v)
  • Keine Verbesserung der DNA Bindungseffizienz bei Erhöhung der Chitosan Oligomer Konzentration (von 1 % auf 2 % (w/v))
  • Keine Erhöhung der DNA Bindung für das Chitosan Oligonukleotid bei Erhöhung der Funktionalisierungsdauer von 1h auf über Nacht 
  • Erfolgreicher Nachweis geringer Konzentrationen von eDNA von Dreissena polymorpha

Zusammenfassung: Die DNA Bindung und Rückgewinnung im mikrofluidischen System hängt stark von dem gewählten Chitosan ab. Aufgrund der hohen DNA-Ausbeute wurde das beste Ergebnis für 1% (w/v) Chitosan Oligomer mit 1 h Funktionalisierungszeit erzielt. Aus den Ergebnissen wurde gefolgert, dass für eine optimale DNA Konzentration mit Chitosanen ein Kompromiss zwischen guter Bindungsfähigkeit und Ausbeute gewählt werden sollte. Insgesamt gelang es mit diesem Ansatz, die DNA Konzentration in der Probe um das 20-fache zu erhöhen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass mit dieser Methode selbst stark verdünnte eDNA aus Flusswasserproben ohne vorherige Vorbehandlung gereinigt und konzentriert werden kann.

chitosan, Mikrofluidik, eDNA, Dreissena polymorpha

Kongresse und Messen

Treffen Sie uns 2023 auf folgenden Messen:

  • EASO Winterschool 2023, Wittenberg, Deutschland, 15.02.-18.02.2023
  • EUCHIS 2023, Siglufjörður, Island, 11.-14.09.2023
  • EPNOE 2023, Graz, Österreich, 18.09.-22.09.2023
  • Asia Pacific Chitin and Chitosan Symposium 2023, Juju, Süd-Korea, 31.10.-03.11.2023

Zur Vereinbarung von Terminen, bitte kontaktieren Sie Frau Richter über sales(at)medical-chitosan.com

Kontakt

  • Heppe Medical Chitosan GmbH
    Heinrich-Damerow-Straße 1
    D-06120 Halle (Saale)
  • Tel.: +49 (0) 345 27 996 300
    Fax: +49 (0) 345 27 996 378
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News

  • Rückblick auf drei Tage des wissenschaftlichen Austausches bei der EUCHIS in Siglufjörður

    HMC war vom 11. bis zum 14. September auf der EUCHIS 2023 in Siglufjörður im Norden Islands vertreten. Falls Sie uns dort nicht treffen konnten, lesen Sie hier unsere Highlights der Konferenz oder besuchen Sie uns noch bis zum 22. September auf der EPNOE in Graz.

  • Abbaubare Körperelektroden aus carboxyliertem Chitosan und Sulfobetain-Methacrylat

    Tragbare Elektroden, über welche vielfältige Körperfunktionen gemessen werden, verursachen elektronischen Abfall und müssen im Fall von Implantaten aufwändig entfernt werden. In der präsentierten Studie wird ein vollständig zersetzbares Materialgemisch mit Chitosan vorgestellt, welches auch bei hoher körperlicher Belastung Bewegung und Schweiß standhält.

  • Weltneuheit Chitosan Molekulargewichtsstandards!

    Auf der EUCHIS 2023 stellt HMC zum ersten Mal Chitosan-Standards vor. ,,Wir sind stolz darauf, endlich einen zuverlässigen Standard für die Molekulargewichtsanalyse anbieten zu können", sagt Katja Richter, Geschäftsführerin von Heppe Medical Chitosan. Das bedeutet, dass Forscher und Kunden Chitosane nicht mehr mit anderen Substanzen wie Pullulan oder PEG/PEO für die Molekulargewichtsanalyse vergleichen müssen. Jetzt können zuverlässige Chitosane verwendet werden. Keine Näherungswerte. Kein Nachdenken darüber, ob es die richtigen, zuverlässigen Ergebnisse sind. Verlässliche Chitosane für exzellente Forschung und hervorragende pharmazeutische Produkte. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

  • Aromatisches Derivat von Chitosan verbessert regenerative Eigenschaften

    Die antioxidativen, bakteriostatischen und antientzündlichen Eigenschaften von Chitosan sorgen dafür, dass es sehr gut für Anwendungen in der regenerativen Medizin wie Wundauflagen geeignet ist. In der präsentierten Studie wird ein über eine Schiffsche Base derivatisiertes Chitosan vorgestellt, welches diese Eigenschaften weiter verbessert.

  • Los geht’s mit der EUCHIS 2023!

    Nachdem unsere Chitosan-Krabbe die wunderschöne Landschaft Islands bereist hat, ist sie nun unterwegs Richtung Siglufjörður zur EUCHIS 2023. Wir freuen uns schon sehr darauf alle wiederzusehen und sind gespannt auf den wissenschaftlichen Austausch. Neben Chitosan und unserer Krabbe haben wir großartige Neuigkeiten im Gepäck. Seid gespannt!

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