Ngs-system

Arten von NGS-Systemen

Das Hauptziel eines NGS-Systems ist es, das gesamte Genom zu geringen Kosten und mit einer schnellen Bearbeitungszeit zu sequenzieren. Es gibt verschiedene Arten von Next-Generation-Sequenzierungssystemen mit besonderen Merkmalen. Sie basieren in der Regel auf unterschiedlichen Prinzipien.

• Sequenzierung durch Synthese (SBS):

  SBS ist eine weit verbreitete NGS-Technologie in mehreren Sequenzierern, wie z. B. Illumina-Systemen. Sie beinhaltet die Einarbeitung von fluoreszenzmarkierten Nukleotiden durch eine DNA-Polymerase während der Synthese eines komplementären Strangs. Die spezifische Reihenfolge der emittierten Fluoreszenzsignale wird erfasst und in DNA-Sequenzen übersetzt.

• Ion Torrent Halbleiter-Sequenzierung:

  Diese Technologie misst Änderungen des pH-Werts, die durch die Freisetzung von Wasserstoffionen während der DNA-Amplifikation verursacht werden. Sie verwendet einen Halbleiterchip, um die eingebauten Nukleotide direkt zu detektieren, was zu einer digitalen Kodierung der DNA-Sequenz führt.

• Sequenzierung durch Ligation:

  Es ist der Prozess der Identifizierung kurzer DNA-Sequenzen durch Detektion der Fluoreszenzsignale, die während der Ligation von Oligonukleotid-Sonden an die Ziel-DNA erzeugt werden. Die Ligationsereignisse werden aufgezeichnet, um die DNA-Sequenz zu bestimmen.

• Single-Molecule Real-Time (SMRT)-Sequenzierung:

  SMRT-Sequenzierung ist eine von Pacific Biosciences (PacBio) entwickelte Technologie, die die Echtzeitbeobachtung der DNA-Synthese durch ein einzelnes Molekül der DNA-Polymerase ermöglicht. Sie ermöglicht das Lesen langer DNA-Fragmente und liefert Informationen über die DNA-Sequenz in Echtzeit.

Spezifikation und Wartung von NGS-Systemen

Die NGS verfügt über mehrere wichtige Komponenten, jede mit unterschiedlichen Spezifikationen. Hier sind einige typische Spezifikationen.

• Sequenzierchemie: Die NGS-Maschinen verfügen in der Regel über eine spezielle Sequenzierchemie zur Basenidentifizierung. So verwendet Illumina beispielsweise die reversible Terminator-Sequenzierung durch Synthese (SBS) als Chemie. Sie arbeitet mit fluoreszenzmarkierten Nukleotiden.
• Lese länge: So wie die NGS funktioniert, werden die von ihr gelesenen DNA-Fragmente unterschiedliche Längen haben. Im Allgemeinen liegen die Fragmente jedoch zwischen 50 und 300 Basenpaaren. Beispielsweise haben Illumina-Instrumente verschiedene Konfigurationen, die Leselängen von 75 bis 300 Basen erzeugen können.
• Durchsatz: Die Menge der Sequenzierungsdaten, die die NGS in einem bestimmten Zeitraum generieren kann, hängt von ihrem Modell ab. Die endgültige Datenausgabe liegt in der Regel bei Gigabasen (Gb). Für Illumina kann das MiSeq-Sequenziermodell in einem 24-Stunden-Lauf bis zu 15 Gb Daten generieren, während NovaSeq 6000 in etwa zwei Tagen bis zu 6.000 Gb generieren kann.
• Genauigkeit: Die Präzision beim Lesen von DNA-Basensequenzen eines NGS-Systems kann je nach Modell variieren. Die Maschine kann eine Genauigkeit von einem Basenpaar oder eine feinere Ebene von einem fehlerhaften Basenpaar pro Million echter Basen aufweisen. So haben Ion Torrent-Systeme beispielsweise eine Genauigkeit von bis zu 99,9 %.
• Dateiformat: Die NGS-Systeme haben ein bestimmtes Dateiformat, das sie zur Vereinfachung der Datenspeicherung, -analyse und -freigabe erzeugen. So erzeugt ein Illumina-NGS-System beispielsweise Daten im BCL-Format. BCL steht für Binary Base Call. Die Daten werden später zur Speicherung und Analyse in FASTQ-Dateien umgewandelt.

Wartung

Sorgfältige Pflege und regelmäßige Wartung können sicherstellen, dass die Next-Generation-Sequenziermaschinen weiterhin mit hohem Durchsatz und Präzision arbeiten. Hier ist ein allgemeiner Zeitplan für die regelmäßige Wartung eines NGS:

• Täglich: Überprüfen Sie die Umgebungsbedingungen, um sicherzustellen, dass sie einen stabilen Betrieb ermöglichen. Die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit sollten innerhalb der angegebenen Bereiche liegen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Die Parameter liegen zwischen 20–25 °C bzw. 40–60 % RH. Überprüfen Sie außerdem kritische Verbrauchsmaterialien wie die Durchflusszelle und Reagenzienkits. Stellen Sie sicher, dass keine Anzeichen von Kontamination oder Beschädigung vorhanden sind. Befolgen Sie strikt die Handhabungsanweisungen des Herstellers. Reinigen Sie die Arbeitsfläche um das NGS herum, vermeiden Sie jedoch Reinigungsmaterialien, die flüchtige organische Verbindungen (VOCs) enthalten.
• Wöchentlich: Am Ende jeder Woche kann der Benutzer einen System-Health-Check durchführen. Er kann einen Standardtest durchführen, um sicherzustellen, dass alle Subsysteme optimal funktionieren. Die Ergebnisse können zeigen, ob eine frühzeitige Wartung erforderlich ist.
• Monatlich: Der Maschinenbenutzer kann kritische Komponenten des NGS kalibrieren, wie z. B. Fluidik- und Optiksysteme. Er kann auch kritische Komponenten des NGS austauschen, die mit Umweltelementen in Berührung kommen, wie z. B. die Luftfilter. Dies verhindert eine Kontamination von Reagenzien und Proben.)
• Vierteljährlich: Der NGS-Benutzer sollte die Sequenziermaschine mindestens alle drei Monate gründlich reinigen. Er kann dafür von der NGS-Lieferantin bereitgestellte Reinigungssets verwenden. Ein Teil des Reinigungsprozesses beinhaltet das Durchleiten von Waschlösungen durch das Fluidik-System, um alle Rückstände oder Verunreinigungen zu entfernen.
• Jährlich: Die Benutzer können in Erwägung ziehen, eine Leistungsbewertung durchzuführen. Die Bewertung kann dem Händler oder Hersteller helfen, die Präzision und Genauigkeit der Maschine zu beurteilen. Falls erforderlich, können sie die Komponenten der Maschine durch neue und empfohlene Teile ersetzen.

Anwendungen und Szenarien für NGS-Systeme

Wie bereits erwähnt, ist der Zweck eines NGS-Systems die Sequenzierung. Es gibt eine Reihe von Bereichen und Sektoren, in denen sie mit großer Wirksamkeit eingesetzt werden können.

• Genomik: In den letzten Jahren hat sich das Studium von Genomen zu einer eigenen Wissenschaft entwickelt. Es werden zunehmend Anstrengungen unternommen, um Bevölkerungsstudien durchzuführen, um zu sehen, wie die genetische Ausstattung bestimmter Populationen ihre Merkmale beeinflussen kann. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, die menschliche Abstammung, Evolutionsstudien und Funktionsstudien von Genomen zu verstehen. All diese Bestrebungen erfordern ein starkes NGS-System, mit dem Forscher die Genome sequenzieren können, die sie untersuchen.
• Klinische Diagnostik: Die Sequenzierung von Genen ist entscheidend für das Verständnis verschiedener Krankheiten, insbesondere genetischer Krankheiten. Mithilfe eines NGS-Systems können Kliniker feststellen, welcher Teil der genetischen Ausstattung einer Person eine Krankheit verursacht. Darüber hinaus kann es verwendet werden, um spezifische Medikamente und Behandlungen auf der Grundlage der genetischen Ausstattung einer Person zuzuschneiden. Dies wird als Präzisionsmedizin bezeichnet und wird von Tag zu Tag beliebter.
• Onkologie: Krebs ist eine Krankheit, die weit verbreitet ist, und Forscher versuchen, Wege zu finden, um zu verstehen, wie sie funktioniert. Veränderungen im Genom sind eine Hauptursache für Krebs. NGS-Systeme können verwendet werden, um diese genomischen Veränderungen zu untersuchen und so zu einem besseren Verständnis von Krebs beizutragen. Dies wiederum hilft bei der Identifizierung von Zielstrukturen für Krebstherapien und schlägt sogar Wege vor, um die Krankheit bei bestimmten Personen zu verhindern.
• Mikrobiomanalyse: Der menschliche Körper beherbergt eine Vielzahl von Bakterien - einige sind nützlich und einige potenziell schädlich. Die Gesamtheit der Bakterien, die beispielsweise im Darm einer Person leben, wird als Mikrobiom bezeichnet. Die Untersuchung des Mikrobioms kann hilfreiche Hinweise auf die Gesundheit, Krankheitsresistenz und sogar die Reaktion auf Medikamente eines Menschen geben. Mithilfe von NGS-Systemen können Forscher die verschiedenen Bakterienspezies identifizieren und katalogisieren, die in einer individuellen Probe vorhanden sind. Dies bereichert unser Verständnis von menschlicher Gesundheit und Krankheit.
• Lebensmittelsicherheit und Forensik: Im unglücklichen Fall eines Ausbruchs einer durch Lebensmittel übertragenen Krankheit kann ein NGS-System verwendet werden, um die Rückverfolgungen einzuleiten, um die Quelle der Kontamination und die Art und Weise, wie sie aufgetreten ist, zu ermitteln. Wenn eine Person mit einem genetisch sequenzierten Organismus infiziert ist, kann das NGS-System helfen, den Stamm des Organismus und seine Anfälligkeit für bestimmte Medikamente zu verstehen. Dies wird die schnelle Reaktion auf Kontaminationen weiter unterstützen, damit die Öffentlichkeit gut geschützt ist. Auch bei strafrechtlichen Ermittlungen kann das NGS-System eingesetzt werden. Wenn biologische Proben von einem Tatort gesammelt werden, können diese genetisch sequenziert werden. Dies kann helfen, Verbindungen zwischen dem Opfer und dem Täter herzustellen.

So wählen Sie das NGS-System

Bei der Auswahl des Next-Generation-Sequenzierungssystems (NGS) müssen Faktoren wie die Abdeckung des Genoms, die Leselängen, der Durchsatz, die Genauigkeit und andere Spezifikationen des Systems berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die gewünschte Anwendung des Systems in bestimmten Forschungsbereichen unerlässlich, um bei der Festlegung der für das Unternehmen wichtigen Funktionen berücksichtigt zu werden. Eine gründliche Untersuchung des Workflows der Probenvorbereitung und der Datenanalyse muss ebenfalls analysiert werden, da diese beiden Schritte das System bestimmen, das für einen reibungslosen und effizienten Prozess erforderlich ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt, ist das Potenzial für die Skalierbarkeit des Systems, um sich an zukünftige Bedürfnisse anzupassen und diese zu erfüllen. Die Integration des Instruments in andere Laborsysteme, um einen effizienten und optimierten Workflow zu gewährleisten, ist ein weiteres wichtiges Merkmal, das zu berücksichtigen ist, zusammen mit der Benutzerfreundlichkeit, der Automatisierung und der Probenkapazität der Plattform.

Schließlich sind die Kosten und das Budget eines NGS-Systems zwar letztendlich entscheidend dafür, ob seine Spezifikationen den Anforderungen entsprechen, aber es ist hilfreich, den technischen Support und die Expertise zu berücksichtigen, die von dem Lieferanten angeboten werden, der das System liefert, um sicherzustellen, dass Kunden jederzeit unterstützt werden.

NGS-System Q&A

Q1. Welche Auswirkungen hat NGS auf die personalisierte Medizin?

A1. Personalisierte Medizin passt die Gesundheitsversorgung an die individuelle Genetik an. NGS ermöglicht dies, indem es das Genom eines Patienten schnell und kostengünstig sequenziert. Dies zeigt einzigartige genetische Variationen auf, die das Krankheitsrisiko, die Reaktion auf Medikamente und die Wahl der Behandlung beeinflussen. Die genomische Profilerstellung mit NGS unterstützt die Medikamentenentwicklung und bietet gezielte Therapien und Präzisionsbehandlungen, die mit spezifischen genetischen Mutationen zusammenhängen.

Q2. Was sind die drei Hauptschritte des NGS-Prozesses?

A2. Die drei wichtigsten Schritte des NGS-Systems sind die Probenvorbereitung, die Sequenzierung und die Datenanalyse. Bei der Probenvorbereitung wird DNA/RNA fragmentiert, markiert und amplifiziert. Als Nächstes werden Millionen von Fragmenten während der Sequenzierung parallel gelesen. Schließlich analysieren Bioinformatik-Tools die riesigen Datenmengen, ordnen die Sequenzen zusammen und extrahieren biologische Erkenntnisse.

Q3. Wie schneiden NGS-Systeme im Vergleich zur traditionellen Sanger-Sequenzierung ab?

A3. Next-Generation-Sequenzierung (NGS) unterscheidet sich grundlegend von der Sanger-Sequenzierung. Während Sanger ein DNA-Fragment nach dem anderen sequenziert, liest NGS Millionen von Fragmenten massiv parallel, wodurch der Durchsatz und die Geschwindigkeit erhöht werden. NGS sequenziert auch ganze Genome oder gezielte Regionen umfassend, während Sanger auf kleinere Maßstäbe beschränkt ist. Darüber hinaus sind NGS-Systeme kostengünstiger für die Generierung großer Mengen an Sequenzierungsdaten im Vergleich zu der älteren Sanger-Methode.