Optical Genomic Mapping System (OGM)

Die Thüringer Aufbaubank fördert aus Mitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE-Programm 2021-2027 Thüringen) und aus Landesmitteln mit der Regionalen Innovationsstrategie für intelligente Spezialisierung und wirtschaftlichen Wandel in Thüringen (RIS Thüringen) die Geräteausstattung im Vorhaben „Implementierung der Optical Genome Mapping (OGM) Methodik am UKJ" am Standort Je-na-Lobeda. Für dieses Forschungsvorhaben soll ein Optical Genomic Mapping (OGM)-System beschafft werden, mit dem physikalische Genomkarten im Hochdurchsatz durch massiv-parallele Einzelmolekül-Visualisierung von extrem langen DNA-Molekülen, ohne vorherige DNA-Vervielfältigung (DNA-Amplification) oder ohne vorherige Hybridisierung erstellt werden können.
Forschungsansätze zu onkologischen und hereditären genetischen Veränderungen sollen hierdurch auf einer bislang nicht zugänglichen Ebene erfassbar gemacht und weiterentwickelt werden.

Optical Genomic Mapping System (OGM)

Der Vertragsschluss erfolgt nach Ablauf der Wartefrist des § 135 Abs. 3 Nr. 3 GWB.

Der Auftrag kann nur von einem bestimmten Wirtschaftsteilnehmer ausgeführt werden, da aus technischen Gründen kein Wettbewerb vorhanden ist. Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt des Instituts für Humangenetik ist die Charakterisierung von angeborenen und erworbenen Veränderungen des menschlichen Erbgutes sowie der zugrundeliegenden Mechanismen.
Weiterhin wird OGM gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen des UKJ, wie dem CCC, der KIM II, der Pathologie, der Kinderklinik und allen interessierten Wissenschaftlern anderer Einrichtungen in Pilotstudien genutzt werden. Auch eine außeruniversitäre Einrichtung, das FLI, hat sein Interesse an dem Verfahren dokumentiert.
Die Etablierung der OGM-Technik wird modellhaft zunächst an der Zellbank der bereits oben genannten sSMCs erfolgen, parallel dazu aber auch an anderen potentiell komplex rearrangierten Proben, wie Tumorzelllinien, geeigneten Patientenproben und auch Zelllinien von Menschenaffen.
Insbesondere die Charakterisierung von Umbauten, die aufgrund einer massiven Schädigung des Erbgutes einer einzelnen Zelle und deren fehleranfälligen ‚Panik-Reparatur‘ der Zelle entsteht, genannt ‚Chromothripsis‘, ist mittels OGM besonders gut möglich und kann hier zur Untersuchung der Pathomechanismen genutzt werden.
Forschungsschwerpunkte / Studienaktivitäten gemäß TAB-Förderung RIS Thüringen: Da am Institut vorhanden, soll mit der Analyse von Fällen aus einer Zellbank gestartet werden, die gleichzeitig numerische und strukturelle Chromosomenveränderungen tragen. Hierbei handelt es sich um Zellen, die aus Patienten mit einem so genannten‚ kleinen überzähligen Markerchromosom‘ (englisch: „small supernumerary marker chromosome“ = sSMC) gewonnen wurden. Untersuchungen dazu, wie solche sSMCs aufgebaut sind und entstehen, zielen darauf ab den Pathomechanismus komplexer chromosomaler Umbauten zu entschlüsseln. Bislang können sSMCs und deren Bruchpunkte entweder mittels molekularer Zytogenetik, CMA oder moderner Verfahren der Hochdurchsatzsequenzierung untersucht werden. Alle drei Verfahren waren bislang nicht ausreichend und/oder zu aufwändig, um Trio-Untersuchungen (also Eltern des sSMC-Trägers und der sSMC Träger) zur Analyse der jeweiligen Bruchpunktregionen des sSMCs durchführen zu können. OGM schließt diese Lücken, denn es ermöglicht eine Einschritt-Erfassung komplexer, sog. grobstruktureller Umbauten des menschlichen Genoms. Somit sind neue Ansätze im bestehenden Forschungsbereich zu sSMCs und der Charakterisierung chromosomaler Bruchpunkte möglich.
Weiterhin werden innerhalb der ersten 12 Monate auch Tumorzelllinien Leukämien, transgener Zellen und Zellen anderer Spezies, untersucht werden. Am Ende dieser Phase ist das Gerät für den Bereich Forschung komplett einsatzfähig und wird gegen Ende der Projektlaufzeit pilotweise für die Diagnostik eingesetzt werden (zusammen mit der Kinderklinik)
Medizinische Aufgabenstellung:
Die Verwendung der OGM-Technik ist geeignet, komplexe, sog. grobstrukturelle Umbauten im menschlichen Genom zu erfassen. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist sie in der Lage, sowohl balancierte als auch unbalancierte Rearrangements sowie die Lage der Veränderungen innerhalb des Genoms (in cis oder in trans, direkt oder indirekte Orientierung) zu erfassen. Das OGM- ist den Sequenzierungsverfahren diesbezüglich überlegen, da es größere Inversionen, Insertionen, Deletionen, Duplikationen und Translokationen im Gesamtgenom erfasst und die Ergebnisse übersichtlich in einem Kreisdiagram darstellbar sind. Sie erfasst somit Umbauten, die nicht oder nur eingeschränkt mit den angegebenen molekulargenetischen Techniken analysiert werden können. Im Vergleich fehlen der FISH, welche in der Lage ist, ebenfalls grobstrukturelle Umbauten wie mittels OGM zu untersuchen, die Genauigkeit der Bruchpunktanalyse, sowie der gesamtgenomische Blick, da immer nur eine begrenzte Zahl an Sonden einsetzbar ist.
Das Saphyr System hat folgende Alleinstellungsmerkmale:
• DNA in Chromosomenlänge wird linearisiert und bildgebend analysiert in Nanokanälen, so gehen die wichtigen Informationen über die Position und Reihenfolge im Genom nicht verloren und es ermöglicht die direkte visuelle Erkennung von SVs
• Nur das Saphyr System ist in der Lage alle Klassen an SVs (Verluste, Zugewinne, balancierte und unbalancierte Inversionen, Translokationen und CNVs) gleichermaßen zu erkennen. Größen ab 500Bp bis zu riesigen, mehrere Megabasen-, Chromosmenweite Ereignisse können erkannt werden, bei Empfindlichkeiten bis zu 99%
• Genomische DNA wird nicht amplifiziert, nur zu einem Minimum fragmentiert und gelöst in ihrer nativen Form analysiert, dadurch wird technisches Rauschen (Bias) minimiert welches bei anderen Methoden durch Verstärkungen oder Hybridisierungen entsteht. Zudem ist das Saphyr-System offen entwickelt, um auch andere genetische Analysen zu ermöglichen
• Mit einer Fehlerrate von weniger als 2% und einer Positionsgenauigkeit für das angefärbte Sequenz-Motiv von 60bp (stdev) stellt das Saphyr System extrem hochwertige Daten bereit für die genetische Analyse verschiedenster Organismen oder Gewebetypen
• Extrem hohe Datenmengen (bis zu 5000Gbp pro Zelle und Lauf) werden bereitgestellt durch hochdichte Nanokanäle und schnelle Zyklen für Beladung und Bildgebung nacheinander.

Das Saphyr Instrument, der Saphyr Chip, deren Herstellung und Nutzung ist in einem oder mehreren Patentschriften niedergelegt die Bionano Genomics besitzt und/oder von Dritten lizensiert hat: US8,652,828, US8,333,934, US8,628,919, US9,536,041. Weitere Patente sind beantragt in den USA und anderen Ländern.
Alternative Produkte für die beschriebenen Forschungsaufgaben sind am Markt nicht verfügbar.
Da der Hersteller bionano genomics, Inc. San Diego für das beschriebene Gerätesystem Alleinanbieter ist, kommt nur eine Direktbeschaffung in Frage.