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Biosensor Ätztechnisch hergestellter Biosensor weist Endotoxine nach

Autor / Redakteur: Michaela Wassenberg* / Dr. Ilka Ottleben

Statt mit aufwändigen In-Vitro-Verfahren lassen sich Endotoxine jetzt auch mit einem Testgerät nachweisen – und das innerhalb von Minuten. Wesentlicher Bestandteil dieses Mikroviskosimeters ist ein miniaturisierter Biosensor aus Edelstahl, dessen Messgenauigkeit durch spezielle Ätztechnik erhöht wurde.

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Abb. 1: Das tragbare Endotoxin-Testgerät „Pyroxpress“ von Highland Biosciences ermittelt die Ergebnisse innerhalb weniger Minuten.
Abb. 1: Das tragbare Endotoxin-Testgerät „Pyroxpress“ von Highland Biosciences ermittelt die Ergebnisse innerhalb weniger Minuten.
(Bild: Highland Biosciences)

Endotoxine in Medizinprodukten, Arzneimitteln oder Prozesswasser können bei Kontakt mit Schleimhäuten und besonders bei Übertritt in die Blutbahn Fieber erzeugen – und zwar schon in niedrigsten Konzentrationen. Klinische Implantate, Impfstoffe und Arzneimittel, die durch Injektion verabreicht werden, müssen demnach strenge Richtlinien erfüllen, um Toxinfreiheit sicherzustellen. Auch die Oberflächen von Medizinprodukten müssen auf ihre Endotoxinbelastung hin untersucht werden. Standards der europäischen Aufsichtsbehörden schreiben vor, dass Proben von jeder Fertigungscharge steriler Medizinprodukte auf Endotoxine hin überprüft werden. Zum Nachweis bakterieller Endotoxine dient der so genannte LAL-Test (Limulus-Amöbozyten-Lysat-Test), der entweder als quantitativ kinetisch-turbidometrischer Test oder als qualitativer Gel-Clot durchgeführt wird. Nachteil dieses In-Vitro-Verfahrens: Der Test kann nur von Laboratorien durchgeführt werden, die Proben in größeren Gruppen testen. Auf diese Weise kann es mehrere Tage dauern, Ergebnisse hinsichtlich Endotoxin-Kontaminationen zu erhalten.

Anders ist es mit dem neuen tragbaren Endotoxin-Testgerät „Pyroxpress“ des schottischen Anbieters für Diagnoseverfahren Highland Biosciences. Die Ergebnisse werden mit diesem System innerhalb von fünf Minuten ermittelt und damit in einem Bruchteil der Zeit, in der sie ein herkömmliches chromogenes oder turbimetrisches, kinetisches System zur Verfügung stellen könnte. Der Test beginnt direkt mit der Detektion der Probe. Diese automatische Auswertung ermöglicht es auch ungeübten Anwendern, den Test durchzuführen. Daraus resultiert ein wichtiger positiver Effekt: Die Ergebnisse liegen gleich am Einsatzort unmittelbar vor.

Das patentierte Gerät basiert auf dem Funktionsprinzip eines Mikroviskosimeters, dessen wesentlicher Bestandteil ein miniaturisierter Biosensor aus Edelstahl in Form einer Präzisionsfeder ist. Für die Herstellung dieses Sensors ging Highland Biosciences eine Kooperation mit dem Spezialisten für photochemische Ätztechnik Precision Micro Limited aus Birmingham ein, die das Design des Biosensors für die Herstellung in Ätztechnik optimierten.

Das neue Testgerät von Highland Biosciences besteht aus einer Lese-Einheit für acht Proben, in die Einweg-Kunststoff-Kartuschen mit Blutproben eingefügt werden. Integraler Bestandteil dieser Einheit ist ein Biosensor aus drei mikrotechnisch hergestellten Edelstahlzinken, die mehrere tausend Mal pro Sekunde schwingen. Der 15 x 22 Millimeter kleine und 0,2 Millimeter dünne Sensor misst mikroskopische Änderungen in der Schichtdicke, Dichte und Viskosität einer Blutprobe – zehn Nanoliter Blut sind als Probenmenge ausreichend. Das Mikroviskosimeter wandelt die Information über das Vorhandensein von Toxinen in der Probe in ein elektronisches Signal um, das daraufhin einen Wert für die Toxinbelastung ausgibt.

Wichtige Anwendung in der Medizin

Die schnelle und genaue Messung des Pyroxpress bezüglich der Viskosität und Dichte von biologischen Flüssigkeiten findet auch in der Medizin eine bedeutende Anwendung. So ist auf diese Weise beispielsweise der Nachweis einer Thrombose möglich. Da die Blutgerinnung zu einer Änderung in der Dichte und Viskosität führt, wird somit durch die aufgezeichneten Messwerte auf die Möglichkeit einer Thrombose zurückgeschlossen. Nach Verletzungen oder Operationen besteht oft die Gefahr, dass der Körper mithilfe der Hämostase die Blutungen unterbindet und damit eine Thrombose auslöst. Diese wiederum kann, durch die eingeschränkte Blutversorgung lebenswichtiger Organe, lebensgefährlich sein und Herzanfälle, Schlaganfälle oder eine Venenthrombose auslösen. Die in solchen Fällen eingesetzten gerinnungshemmenden Medikamente haben oft eine hohe Halbwertszeit und damit langandauernde Wirkung. Um sie im richtigen Maße zu dosieren und eine Blutung bzw. unerwünschte Gerinnung auszuschließen, können mit dem Pyroxpress die Werte von Gerinnungsfaktoren in einer Blutprobe nun zuverlässig und schnell gemessen werden.

Zwar gibt es bereits eine Reihe klinischer Tests, die die Wirkung von Gerinnungshemmern im Blut bestimmen, diese sind jedoch meist nicht mit der gleichen Schnelligkeit und Präzision wie beim Pyroxpress durchführbar. Die Messung der Thromboplastinzeit (TPZ) z. B. kann durch die Unterschiede im verwendeten Thromboplastin oder der Gerätehersteller zu Schwankungen der Ergebnisse führen. Eine weitere Methode ist die Bestimmung der Partiellen Thromboplastinzeit (PTT). Diese wird normalerweise in klinischen Labors durchgeführt, was einen Nachteil im zeitlichen Faktor bedeutet. Das dem PTT ähnliche Testverfahren der Messung der aktivierten Gerinnungszeit (ACT) wird dagegen mit einer vollständigen Blutprobe durchgeführt. Im Vergleich zu den vom Pyroxpress benötigten zehn Nanolitern ist dieses Vorgehen unangenehmer für den Patienten.

Funktionsweise zur Thrombose-Bestimmung

Um die Blutgerinnung zu untersuchen, gibt es zwei Vorgehensweisen: Zum einen kann die Blutprobe – bevor sie eingefüllt wird – mit einem Gerinnungsfaktor versehen werden. Zum anderen können die Blutgerinnung bewirkende Faktoren bzw. Reagenzien so auf mindestens eine Oberfläche, die die Reaktionskammer begrenzt, aufgebracht werden, dass eine chemische Reaktion beginnt. Sind die Reaktionskammern mit zwei Trägersubstanzen befüllt, werden in einer von ihnen Schwingungen ausgelöst. Anschließend reagiert jenes Reagenz mit der Blutprobe, das für eine Gerinnung verantwortlich ist. Anhand der Schwingungen, die nun in der zweiten Trägersubstanz zu bestimmen sind, werden die veränderte Dichte des Blutes und damit die Gerinnung ermittelt. Möglich ist das durch Vergleichen der gemessenen Ergebnisse mit den Standardwerten.

Charakterisierend für die Messwerte sind eine veränderte Resonanzfrequenz, Amplitude oder der Gütefaktor der Schwingung des bzw. der resonierenden Träger. In manchen Fällen kann durch die geänderte Resonanzfrequenz auch auf den Zeitpunkt geschlossen werden, wann die Reaktionskammer des Sensors mit der Blutprobe gefüllt wird oder die chemische Gerinnungsreaktion beginnt. Der Biosensor, der für die Schwingungen im Pyroxpress und damit für die neue und zuverlässige Messmethode verantwortlich ist, wird mittels Ätztechnik hergestellt. Das Verfahren ist ein kalt ablaufender chemischer Prozess, bei dem nicht erwünschtes Material entfernt wird.

Ätztechnik übertrifft Laserschneiden und Stanzen

Highland Biosciences entschied sich bei der Herstellung des Biosensors nach Versuchen mit verschiedenen Verfahren für die Ätztechnik. Genauestens kontrollierte chemische Prozesse reagieren mit den an der Oberfläche befindlichen Atomen und lösen die Oberfläche so mit einer hohen Genauigkeit und einer Toleranz von ± 25 Mikrometern glatt und gratfrei ab. Bei der Entwicklung des Biosensors für das Mikroviskosimeter sollten die Materialeigenschaften vom Herstellungsprozess unbeeinflusst bleiben. „Aufgrund der geforderten Spannungsfreiheit und Planizität der Komponente, kam nur die Ätztechnik in Frage“, erklärt Lee Weston, Marketing & Communications Manager von Precision Micro. Herkömmliche Blechbearbeitungsverfahren wie Laserschneiden oder Stanzen bearbeiten das Metall unter Einwirkung von Wärme oder Kraft und setzten es damit unter Spannungen, was sich wiederum negativ auf die Messgenauigkeit auswirken und die Planizität der Oberfläche beeinträchtigen kann. Die digitalen Werkzeuge der Ätztechnik ermöglichen Änderungen im Design in wenigen Stunden anstatt in Tagen und Wochen. Von Vorteil ist auch, dass die Rüst- und Werkzeugkosten minimal sind, sodass die Kunden ihre Entwürfe ohne erhebliche Kostenzuschläge und mit nur geringen Anfangsinvestitionen ändern und optimieren können.

* *M. Wassenberg: Wassenberg Public Relations für Industrie & Technologie GmbH, 90408 Nürnberg

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