Trockenheizblöcke zählen sicher nicht zu den Laborgeräten, die besonders sexy sind. Sie sind eher unscheinbar und kommen meist im biederen mausgrauen Outfit daher. Dafür sind sie aber umso praktischer und im biowissenschaftlichen Labor so gut wie unverzichtbar.
In vielen Experimenten muss zumindest bei einem Zwischenschritt eine bestimmte Temperatur eingehalten werden. Wasserbäder sind hierfür meist zu umständlich und nicht flexibel genug. Trockenheizblöcke beziehungsweise Blockthermostate erreichen die gewünschte Temperatur wesentlich flotter, und auch das Herumgeplansche mit keimverseuchtem Wasser entfällt. Die Reaktionsgefäße werden einfach in die Bohrungen des Heizblocks gesteckt und die gewünschte Temperatur eingestellt.
Bei günstigen Standard-Geräten sind die Aluminium-Heizblöcke in das Gehäuse integriert und meist für die üblichen 1,5 ml- oder 2 ml-Eppendorf-Tubes ausgelegt. Wer ein paar Euros mehr ausgibt, erhält jedoch auch Blockthermostate mit Wechselblöcken, die Löcher für alle nur erdenklichen Reaktionsgefäße enthalten: Zentrifugenröhrchen, Vials, Glasröhrchen, PCR-Gefäße, Mikrotiterplatten, Deep-Well-Platten, PCR-Platten et cetera.
Die Heizraten von Blockthermostaten können zwar nicht mit den Heiz-Geschwindigkeiten von Thermocyclern mithalten. In der Regel benötigen die Blöcke aber nur wenige Minuten, um zum Beispiel von 25°C auf 100°C hochzuheizen. In reinen Heizthermostaten, die nur für Temperaturen über Raumtemperatur ausgelegt sind, übernimmt zumeist eine einfache elektronisch geregelte Widerstandsheizung die Zufuhr der nötigen Wärmeenergie.
Wesentlich flexibler aber auch teurer sind Blockthermostate mit eingebauten Peltier-Elementen, die sowohl heizen als auch kühlen können. Mehr als 30°C unter Raumtemperatur schaffen diese Heiz-/Kühlblockthermostate aber meist nicht. In der Regel wird die Soll-Temperatur über ein Touchpad eingestellt und in einem Display angezeigt. Ein sogenannter Proportional Integral Derivative (PID) Controller vergleicht die eingestellte Soll-Temperatur mithilfe eines Temperaturfühlers im Heizblock mit der Ist-Temperatur. Über eine digitale Steuerung passt er diese permanent an die Soll-Temperatur an.
Wunderdinge sollte man aber auch von einem digital geregelten Heizblock nicht erwarten. Material-Inhomogenitäten, die zu leichten Temperaturabweichungen innerhalb des Aluminium-Blocks führen, kann auch ein PID-Controller nicht ausbügeln. Der Fehler bei der Temperatur-Uniformität oder Homogenität liegt bei 37°C Blocktemperatur meist bei etwa 0,2 °C.
Wie präzise die Temperatur des Heizblocks geregelt und gehalten wird, kann man dem Fehler für die Temperatur-Stabilität des Blocks entnehmen. In hochwertigen Blockthermostaten beträgt dieser bei 37°C Blocktemperatur etwa ein zehntel Grad Celsius. Mit diesem Wert können auch analog gesteuerte Blockthermostate mithalten, die man von einigen Herstellern noch immer als günstige Alternative zu digitalen Geräten erhält. Statt mit dem Touchpad stellt man die Temperatur mit einem Drehregler ein, der meist eine Skalierung von ein oder zwei Grad Celsius aufweist.
Mit der ebenfalls häufig angegebenen Temperatur-Genauigkeit (Accuracy) lässt sich abschätzen, wie genau die eingestellte Temperatur eines Heizblocks mit der eines kalibrierten Standards übereinstimmt. Bei digitalen Geräten sollte man sich hier aber nicht von der üblichen Anzeige der Soll-Temperatur in Zehntel-Grad-Celsius-Schritten täuschen lassen. Die Abweichung von der Soll-Temperatur ist oft wesentlich größer und kann teilweise bis zu einem Grad Celsius betragen.
Trockenheizblöcke werden neben den üblichen Routineanwendungen, wie zum Beispiel Enzymverdau, Inkubationen, Auftauen von Kulturen, Nukleinsäure-Hybridisierungen oder Schmelzpunkt-Analysen, zunehmend auch für die isothermale Amplifikation von Nukleinsäuren eingesetzt. Letztere entwickelt sich insbesondere bei der schnellen Diagnostik von Krankheitserregern zu einer ernsthaften Konkurrenz für die üblicherweise verwendete PCR oder qPCR.
Der Grund hierfür ist sehr einfach: Isothermale Amplifikations-Techniken, wie zum Beispiel die Loop-Mediated Isothermal Amplification (LAMP) oder die Recombinase Polymerase Amplification (RPA) laufen im Gegensatz zur PCR bei konstanter Temperatur ab. Statt eines teuren Thermocyclers reicht ein simpler Blockthermostat für das Aufheizen auf die Reaktionstemperatur von 37°C bei der RPA oder 60° bis 65°C bei LAMP.
Isothermale Amplifikationen sind speziell für mobile Geräte zur Vor-Ort-Analyse (Point-of-Care, POC) interessant. In diesen reichen kleine Batterien als Stromlieferanten für die Heizung – oder man kann sogar ganz auf einen Stromversorger verzichten und chemische Heizungen einsetzen.
So konstruierte zum Beispiel Dirk Kuhlmeiers Gruppe vom Fraunhofer Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI) in Leipzig ein mobiles POC-Gerät mit chemischer Heizung für den Nachweis von Chlamydien-Infektionen mit LAMP.
Die isothermale Amplifikation der Chlamydien-DNA findet auf einem Mikrofluidik-Chip aus Plastik statt. Ähnlich wie eine Kreditkarte in ein Lesegerät wird dieser in den Schlitz einer flachen, mit einem Deckel aus Kunststoff versehenen Plastikplatte eingeschoben, die als chemisches Heizsystem dient. In einem Hohlraum der Platte ist eine exakt abgewogene Mischung aus Eisenpulver, Aktivkohle sowie Natriumchlorid deponiert, die mit Sauerstoff stark exotherm reagiert. Damit dies nicht unkontrolliert geschieht, ist die Kunststoffplatte mit einer Vakuum-Folie verschlossen. Als zusätzlicher Zündstoff dienen zwei Gramm Calciumoxid (CaO) in einem kleinen Päckchen, das von einer wasserlöslichen Folie verschlossen wird.
Um die Heizung zu starten, wird zunächst die Vakuumfolie abgezogen, damit Sauerstoff an die Mischung aus Eisenpulver, Aktivkohle und Kochsalz gelangen kann. Zusätzlich träufelt man einige Milliliter Wasser über ein Einlaufsystem auf dem Kunststoffdeckel in die Heizkammer der Plastikplatte. Das Wasser löst die Folie des Calciumoxid-Beutelchens auf und reagiert in einer exothermen Reaktion mit dem CaO. Diese Reaktion liefert die nötige Aktivierungsenergie für die Oxidation des Metallpulvers durch Sauerstoff.
Durch die beiden exothermen Reaktionen erwärmt sich das Heizsystem in zwei Minuten auf etwa 60°C und hält diese Temperatur eine gute halbe Stunde. Die Wärme wird direkt auf den Chip übertragen, auf dem die isothermale Amplifikation der DNA stattfindet.
Auch die Gruppe des Bioingenieurs Paul Yager von der University of Washington in Seattle, USA, beschäftigt sich mit chemischen Heizsystemen für POC-Geräte. 2016 stellte sie das Konzept für ein diagnostisches Nukleinsäure-Extraktionssystem vor, das auf einer chemischen Heizung sowie einer getrockneten Enzym-Präparation für die Zelllyse basiert (Anal. Methods 8, 2880-86).
Yagers Mannschaft konzentriert sich insbesondere auf Diagnoseverfahren für gefährliche Krankenhauskeime wie zum Beispiel Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA). Um diese mit einem POC-Gerät via qPCR oder isothermaler Amplifikation nachzuweisen, müssen die Gram-positiven S. aureus-Bakterien zunächst mit einer Achromopeptidase (ACP) lysiert werden. Das ist auch kein großes Hexenwerk, die Zellen werden hierzu einfach bei 20°C oder 37°C mit einer getrockneten und rehydratisierten ACP inkubiert. Anschließend wird die Mischung auf etwa 100°C erhitzt, wodurch ACP inaktiviert wird.
Um den Hitze-Inaktivierungs-Schritt auch in einem angedachten stromlosen POC-Gerät durchführen zu können, konstruierte Yagers Team eine chemische Heizung, die ganz ähnlich funktioniert wie das System von Kuhlmeiers Gruppe. Im Grunde basiert sie auf einer Mixtur, mit der auch die „Ready-to-Eat“ Feldrationen US-amerikanischer Soldaten erhitzt werden.
Die Gruppe stopfte zunächst ein dreimal drei Zentimeter großes Papiertuch in ein 1,5 ml-Eppendorf-Gefäß, gab 120 Milligramm einer Eisen-Magnesium-Legierung sowie 70 Milligramm Kochsalz auf das Papierknäuel und überdeckte das Ganze mit einem kleinen Wattebausch. Den Deckel bohrten die Forscher auf, um ein zweites Eppendorf-Gefäß hineinstellen zu können. Damit ihnen das Tube aufgrund der sich bildenden Gase nicht um die Ohren flog, bohrten sie an der Seite noch ein kleines Entlüftungsloch.
Anschließend musste es flott gehen: Die Gruppe pipettierte 300 Mikroliter Wasser in das Heiz-Eppi und steckte das Gefäß mit den lysierten Zellen und dem ACP sofort in das Loch im Deckel. Die Finger nahmen die amerikanischen Forscher danach möglichst schnell von dem Eppendorf-Gefäß, um sie nicht zu verbrennen – unmittelbar nach dem Kontakt der FeMg-Legierung mit der Kochsalz-Lösung erhitzte sich das Reaktionsgefäß auf etwa 100 °C.
Zugegeben, die chemische Heizung der US-Amerikaner ist noch etwas rustikal. Sie funktionierte jedoch tadellos und setzte die ACP nach der Zelllyse außer Gefecht. Für den Einsatz in einem POC-Gerät müsste Yagers Team aber noch ein wenig an dem Heizsystem feilen.
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 01/2019, Stand: Januar 2019, alle Angaben ohne Gewähr)
