Ultraschall in der Virusforschung
Die Ultraschalllyse und -extraktion ist eine zuverlässige und seit Langem etablierte Methode zum Aufschluss von Zellen und zur anschließenden Freisetzung von Viren, viralen Proteinen, DNA und RNA.
Ultraschall in der Coronavirus-Forschung
Die Extraktion von Viren aus Organgewebe ist ein wesentlicher Schritt der Probenvorbereitung vor der Analyse des Virus (z. B. Nukleinsäure, Kapsomere, Glykoproteine). Die Ultraschallhomogenisierung ist eine schnelle, einfache und reproduzierbare Methode zur Probenvorbereitung, etwa zur Gewebehomogenisierung, Lyse, zum Zellaufschluss, zur Extraktion intrazellulärer Substanzen sowie zur DNA- und RNA-Fragmentierung.
Die Probenvorbereitung mit Ultraschall ist ein üblicher Schritt vor der Polymer-Kettenreaktion (PCR).
Ultraschallanwendungen für Viren
- Zelllyse zur Extraktion von Viren aus Gewebe und Zellkulturen
- Dispergieren von Virusaggregaten
- Scherung / Fragmentierung von DNA und RNA
Ultraschall zur Impfstoffherstellung und zur Formulierung antiviraler Arzneimittel
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Nanoträger für Arzneistoffe
Nanoskalige Wirkstoffabgabesysteme werden erfolgreich eingesetzt, um pharmakologisch aktive Wirkstoffe zu Zellen zu transportieren, wo das Arzneimittel seine Wirkung entfalten kann. Gängige Nanoträger für Arzneistoffe sind Nanoemulsionen, Liposomen, Cyclodextrin-Komplexe, polymere Nanopartikel, anorganische Nanopartikel und virale Vektoren.
Die Emulgierung und Dispergierung mit Ultraschall ist eine etablierte Technik zur Herstellung von durch Nanotechnologie verbesserten Formulierungen wie Nanoemulsionen, Liposomen, Cyclodextrin-Komplexen und Nanopartikeln (z. B. Kern-Schale-Nanopartikeln), die mit bioaktiven Substanzen beladen sind.
Virus
Ultraschallprozessoren für Zelllyse und Extraktion
Hielscher Ultrasonics bietet eine breite Palette an Ultraschallsystemen zur Beschallung kleinster Laborproben sowie zur Verarbeitung sehr großer Mengen im industriellen Maßstab.
Unsere Ultraschallgeräte mit Sonotrode sind in verschiedenen Leistungsbereichen erhältlich, damit wir Ihnen das ideale Gerät für Ihre Anwendung empfehlen können. Ein breites Zubehörsortiment mit Sonotroden unterschiedlicher Größen und Formen, Durchflusszellen und Reaktoren verschiedener Größen und Geometrien sowie weiteren Ergänzungen ermöglicht es Ihnen, Ihren Ultraschall-Zellaufschlussapparat für höchste Prozesseffizienz und Bedienkomfort zu konfigurieren.
Eine einzigartige Ultraschallkonstruktion für die Probenvorbereitung ist der VialTweeter. Der Hielscher VialTweeter ermöglicht die gleichzeitige Beschallung von bis zu 10 Röhrchen (z. B. Eppendorf-Röhrchen, Mikrozentrifugenröhrchen usw.) unter denselben Prozessbedingungen. Die intensiven Ultraschallwellen werden durch die Röhrchenwände übertragen, sodass Kreuzkontaminationen und Probenverluste vermieden werden. Der VialTweeter ist ein kompaktes Ultraschallsystem, das in jeder Laborumgebung eingesetzt werden kann. Seine wichtigsten Vorteile sind die präzise Kontrolle der Prozessparameter, die Reproduzierbarkeit, die gleichzeitige Behandlung mehrerer Proben unter denselben Bedingungen ohne Kreuzkontamination sowie die automatische Datenprotokollierung auf einer integrierten SD-Karte. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Vorteile der Ultraschallgeräte von Hielscher
Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt. Die Zuverlässigkeit und Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher gewährleisten, dass Sie Ihre Materialien mit hoher Effizienz verarbeiten und dabei das gewünschte Ergebnis erzielen können. Unsere automatische Frequenzabstimmung gewährleistet einen kontinuierlichen Betrieb mit der gewählten Amplitude. Die lineare Skalierbarkeit ermöglicht eine einfache und risikofreie Maßstabsvergrößerung auf höhere Prozessvolumina bei gleichen Prozessergebnissen.
Ab 200 Watt sind alle unsere Ultraschallsysteme ausgestattet mit einem Farb-Touchdisplay, digitaler Steuerung, integrierter SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, anschließbaren Temperatursensoren und optionalen Drucksensoren sowie
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500 mL | 10 bis 200 mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000 mL | 20 bis 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20 L | 0,2 bis 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 L | 2 bis 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Pilotmaßstab und industriellen Maßstab.
Literatur/Quellen
Wissenswertes
Coronavirus
Der Begriff Coronavirus umfasst einen ganzen Zweig des Virusstammbaums, darunter die Erreger von SARS (schweres akutes respiratorisches Syndrom), MERS (Nahost-Atemwegssyndrom) und mehrere weitere Varianten. Vom „Coronavirus“ zu sprechen und damit einen gefährlichen Virusstamm zu meinen, lässt sich damit vergleichen, „Säugetier“ zu sagen, wenn man „Grizzlybär“ meint. Das ist fachlich korrekt, aber sehr unspezifisch.
Viren
Ein Virus ist ein kleines infektiöses Partikel, das eine Wirtszelle benötigt, um sich zu vermehren. Viren dringen in lebende Zellen von Organismen ein – von Tieren und Pflanzen bis hin zu Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Archaeen.
Formen, Größen und Typen von Viren
Im Allgemeinen sind Viren deutlich kleiner als Bakterien. Die meisten bisher untersuchten Viren haben einen Durchmesser zwischen 20 und 300 Nanometern. Da die meisten Viren so winzige Partikel sind, reicht die Vergrößerung eines Lichtmikroskops nicht aus, um sie sichtbar zu machen. Um Viren zu sehen und zu untersuchen, werden Rasterelektronenmikroskope und Transmissionselektronenmikroskope (REM bzw. TEM) benötigt.
Aufbau eines Virions
Ein vollständiges Viruspartikel wird als Virion bezeichnet. Ein solches Virion besteht aus einem inneren Kern aus Nukleinsäure, bei der es sich entweder um Ribonukleinsäure oder Desoxyribonukleinsäure (RNA oder DNA) handelt. Die Nukleinsäure ist von einer schützenden äußeren Proteinhülle umgeben, die als Kapsid bezeichnet wird. Ein Kapsid besteht aus identischen Proteinuntereinheiten, den sogenannten Kapsomeren. Der Kern des Virions verleiht ihm Infektiosität, während das Kapsid dem Virus Spezifität verleiht. Prionen sind infektiöse Proteinmoleküle, die keine virale DNA oder RNA enthalten.
Behüllte und unbehüllte Viren
Viren mit einer Lipidhülle werden als behüllte Viren bezeichnet. Die sogenannte Hülle ist eine Lipidschicht, die das Proteinkapsid umgibt. Viren übernehmen diese Hülle während des Knospungsprozesses von der Membran der Wirtszelle. Beispiele für behüllte Viren sind SARS-CoV-2, HIV, HSV, SARS oder Pocken.
Unbehüllte Viren besitzen diese Hülle nicht, da sie die Zelle durch deren Lyse verlassen. Einige Viren können jedoch eine „Quasi-Hülle“ entwickeln, die das virale Kapsid vollständig umschließt, aber frei von viralen Glykoproteinen ist. Beispiele für unbehüllte Viren sind Poliovirus, Nodavirus, Adenovirus und SV40.
Virusmorphologie
Es werden vier morphologische Haupttypen von Viren unterschieden: helikal, ikosaedrisch, prolat und behüllt. Darüber hinaus gibt es sogenannte komplexe Virusmorphologien.
Die Morphologie eines Virus wird durch das Kapsid und dessen Form bestimmt. Das Kapsid ist aus Proteinen aufgebaut, die vom viralen Genom codiert werden. Die Kapsidform bildet die Grundlage der morphologischen Unterscheidung. Viral codierte Proteinuntereinheiten, die sogenannten Kapsomere, lagern sich selbstständig zu einem Kapsid zusammen, wofür normalerweise das Virusgenom vorhanden sein muss.
Helikale Viren: Helikale Viren besitzen eine Kapsidform, die als faden- oder stäbchenförmig beschrieben werden kann. Die helikale Form weist einen zentralen Hohlraum auf, in dem die Nukleinsäure eingeschlossen ist. Je nach Anordnung der Kapsomere verleiht die helikale Form dem Viruskapsid Flexibilität oder Steifigkeit.
Ikosaedrische Viren: Das Kapsid eines ikosaedrischen Virus besteht aus identischen Untereinheiten (Kapsomeren), die gleichseitige Dreiecke bilden, welche wiederum symmetrisch angeordnet sind. Die ikosaedrische Form ermöglicht eine sehr stabile Kapsidstruktur, die viel Platz für die Nukleinsäure bietet.
Prolate Viren: Die prolate Form ist eine Variante der ikosaedrischen Form und kommt bei Bakteriophagen vor.
Behüllte Viren: Einige Viren besitzen eine Hülle aus Phospholipiden und Proteinen. Zum Aufbau dieser Hülle nutzt das Virus Teile der Zellmembran seines Wirts. Die Hülle dient als Schutzmantel des Kapsids und trägt dadurch dazu bei, das Virus vor dem Immunsystem des Wirts zu schützen. Die Hülle kann auch Rezeptormoleküle enthalten, die dem Virus die Bindung an Wirtszellen ermöglichen und die Infektion der Zellen erleichtern. Einerseits erleichtert eine Virushülle die Infektion von Zellen; andererseits macht sie das Virus anfälliger für die Inaktivierung durch Umwelteinflüsse wie Detergenzien (z. B. Seife), die die Lipidbausteine der Hülle zerstören.
Komplexe Viren: Ein komplexes Virus ist durch eine Kapsidstruktur gekennzeichnet, die weder rein helikal noch rein ikosaedrisch ist. Darüber hinaus können komplexe Viren zusätzliche Komponenten wie Proteinschwänze oder eine komplexe Außenwand aufweisen. Viele Phagen sind für ihre komplexe Struktur bekannt, die einen ikosaedrischen Kopf mit einem helikalen Schwanz kombiniert.
Virusgenom
Virusarten weisen eine enorme Vielfalt an Genomstrukturen auf. Die Gruppe der Virusarten umfasst eine größere strukturelle Genomvielfalt als Pflanzen, Tiere, Archaeen oder Bakterien. Es gibt Millionen verschiedener Virustypen, obwohl bisher nur etwa 5.000 Typen detailliert beschrieben wurden. Dies eröffnet ein weites Feld für die zukünftige Virusforschung.