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Mikrofluidik für patientennahe Diagnostik Labordiagnostik: So klein und doch so nah

Autor / Redakteur: Tobias Schunck & Antonia Winkler* / Dr. Ilka Ottleben

Wer kennt das nicht? Testergebnisse, die über das weitere Vorgehen im Krankheitsfall entscheiden, lassen auf sich warten. Dabei könnte es den entscheidenden Vorteil für den positiven Therapieverlauf bedeuten, wenn diese zeitnah verfügbar wären.

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2 Einweg-Chip zur Durchführung des Assays
2 Einweg-Chip zur Durchführung des Assays
(Bild: Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH)

Der schnelle Zugang zu diagnostischen Parametern ist eine der wichtigsten Herausforderungen für neue medizinische Methoden und Therapiekonzepte. Aus Kostengründen wurde die Labordiagnostik in den vergangenen Jahren immer weiter in großen Zentren zusammengezogen. Die dahinterstehende Logistik führt zwangsläufig zu Verzögerungen in der Diagnose und somit auch bei der Therapie. Bei einigen Krankheiten konnte gezeigt werden, dass eine Verzögerung nachweislich zu einer dramatischen Verschlechterung der Heilungschancen führt. Mindestens jedoch führt dies zu Unannehmlichkeiten beim Patienten, der erneut die Praxis aufsuchen muss, wenn die Ergebnisse der Untersuchung beim Arzt vorliegen. Dies wiederum bedeutet erhöhte Ausfallzahlen im Jobsektor. Bei aktuell 43,5 Millionen Erwerbstätigen in Deutschland (Quelle: Statistisches Bundesamt) führt das zu einer merklichen Verschlechterung der Wirtschaftsleistung in Deutschland.

Miniaturisierung ebnet Weg für patientennahe Diagnostik

Dem gegenüber steht der aktuell zu beobachtende Trend hin zur patientennahen oder Point-of-Care Labordiagnostik (Point-of-Care-Testing, POCT). Diese erfordert einfach handhabbare Technolo­gien, die dank eines hohen Automatisierungsgrades auch von Personal ohne spezielles Training bedient werden können. Die Testergebnisse stehen dabei sofort zur Verfügung, die Diagnose kann schnell gestellt und die passenden Therapien rechtzeitig verordnet werden.

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Zurzeit gibt es eine überschaubare Anzahl von POCT-Produktentwicklungen (z.B. für den Erregernachweis bei Infektionskrankheiten) sowohl von großen Diagnostikunternehmen als auch von kleinen Start-ups. Der Gedanke dahinter: kompakte, vollautomatisierte und kostengünstige Systeme für den Einsatz in Arztpraxen und Krankenhäusern. Die zentrale Herausforderung in diesem Zusammenhang ist schlichtweg, die Methoden, welche anfangs ganze Labortische benötigten, auf kompakte und somit transportable Geräte zu reduzieren.

Der Miniaturisierungsprozess hat die Medizintechnik längst revolutioniert. Alles schrumpft, vom Diagnosegerät über Laborgeräte bis hin zu Patientenüberwachungsgeräten. Schon Anfang der neunziger Jahre prägte Andreas Manz den Begriff des micro-Total-Analysis-Systems (µTAS), eines Systems, das auf einem Chip vollständige chemische oder biologische Analysen durchführen kann. Die Vision vom Labor auf dem Chip (Lab-on-a-Chip) war geboren. Denn auch bei Lab-on-a-Chip-Systemen erschließt die Miniaturisierung weitere Vorteile: Transportprozesse wie Wärme- und Stofftransport laufen zum Beispiel wesentlich schneller ab. So konnte schon Ende der neunziger Jahre gezeigt werden, dass man für die Vervielfältigung von Nukleinsäuren per Miniaturisierung nicht zwanzig, sondern weniger als zwei Minuten benötigt.

Mittlerweile haben sich die Lab-on-a-Chip-Systeme stark weiterentwickelt. Um die Fertigungskosten für die Verbrauchsmaterialien so gering wie möglich zu halten, basieren die meisten Systeme auf mikrofluidischen Technologien. Das führt dazu, dass weniger Reagenzien benötigt werden und die Analyse auf kostengünstigen Einwegchips stattfindet. Dadurch entfallen die kompletten Reinigungsanforderungen und eine potenzielle Kontaminationsquelle. Die Lagerfähigkeit der Testträger werden z.B. durch Verwendung gefriergetrockneter Agenzien sichergestellt. Der alles entscheidende Faktor, wenn es um die Kommerzialisierung geht, ist jedoch die Reduzierung der Herstellungskosten. Das Fraunhofer ICT-IMM setzt dabei auf eine kosteneffektive Produktion mittels intelligenter Montagekonzepte und ein schlichtes Design.

Schnelle Umsetzung von Anwendungsideen

Als einer der Pioniere der Mikrofluidik entwickelt das Fraunhofer ICT-IMM seit über 20 Jahren voll integrierte und automatisierte mikrofluidische Analysesysteme. Auf Basis eines „mikrofluidischen Baukastens“ mit umfassender Abdeckung der erforderlichen Funktionselemente lässt sich so in kurzer Zeit eine Anwendungsidee zum Funktionsnachweis führen und voll funktionstüchtige Demonstratoren bis hin zur Nullserie aufbauen. Im Allgemeinen setzt sich ein System zur patientennahen Diagnostik aus einem spezifischen Chip, in dem die Analyse abläuft, und einem passenden Instrument, das diese Probe möglichst vollautomatisiert analysiert, zusammen.

Die vom Fraunhofer ICT-IMM entwickelte Simplex-Plattformtechnologie basiert auf dem schnellen Nukleinsäurenachweis, wobei sie aber nicht nur auf die molekulare Diagnostik beschränkt ist. Die Probenahme der Simplex-Proben-Kassette ist so konzipiert, dass verschiedenste Materialien (von Abstrichproben bis zu flüssigem Probenmaterial) verwendet werden können. Auch bei der Probenprozessierung ist die Flexibilität zur Anpassung an das Probenmaterial gewährleistet. Der Nachweis basiert auf einer einzigen Transfer- und Vorbereitungsflüssigkeit, welche in einem separaten Probenahmeröhrchen vorgelagert ist. Diese Mehrzweck-Flüssigkeit dient zum Ablösen der Proben vom Probensammler und zu deren Homogenisierung. Außerdem ist sie kompatibel mit getrockneten Assayreagenzien für die Amplifikation, ohne vorherige Aufreinigung der Nukleinsäuren. Durch die Lyophilisierung (Gefriertrocknung) der in der Kassette gelagerten Amplifikationsreagenzien wird sichergestellt, dass die Lagerung bei Raumtemperatur möglich ist, was die Lagerkosten drastisch senkt. Die Assayreagenzien können an den Nachweis angepasst werden. So sind neben der PCR (Polymerase-Kettenreaktion) auch isotherme Amplifikationsreaktionen zur Vervielfältigung der Ziel-DNA in das System integrierbar.

Einsatzmöglichkeiten zur POCT sind vielseitig

Durch die Verbindung der hohen Flexibilität mit einem hohen Automatisierungsgrad, adressiert die Simplex-Plattform eine Vielzahl von Anwendungen und kann die patientennahe Diagnostik revolutionieren. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel der Nachweis von Infektions­erregern und multiresistenten Keimen bei Mensch und Tier. Der Simplex-Pilotaufbau ermöglicht den sofortigen Test von verschiedenen Panels mit einem Set an Krankheitserregern (z.B. Atemwegserkrankungen, sexuell übertragbare Krankheiten, MRSA und ähnliche Resistenzmarker). In dem vom BMBF geförderten Projekt Fastplex widmen sich die Wissenschaftler des ICT-IMM aktuell der Multiplex-Analyse zur Subtypisierung von Influenza-Viren. In 30 Minuten soll eine Probe auf insgesamt 15 verschiedene Erreger getestet werden. Damit soll ein Beitrag zur Abwendung von pandemischen Ausbreitungen von Grippe geleistet werden. Weitere Anwendungsgebiete für POCT-Testsysteme zur Identifikation von Erregern aus Abstrichproben finden sich in der zivilen Sicherheit, der Umweltprüfung, Veterinäruntersuchungen und der Detektion von Pathogenen oder Mikroben in Lebensmitteln, Kosmetik und Indus­trierohstoffen.

POCT – Technologie mit Zukunftschancen

Das Feld der POCT-Technologie besitzt das Potenzial, die Welt der Medizin in Zukunft stark zu prägen. Viele Hersteller legen ihren Fokus auf die Entwicklung spezialisierter, miniaturisierter Versionen für Kliniken und den Massenmarkt. Der stärkste Antrieb kommt bei einfach zu interpretierenden Tests dabei von der Endverbraucherseite und zielt in Richtung Kostensenkung, höheren Komfort und schnellere sowie genauere Ergebnisse. Denn wann immer ein Patient einen ärztlich verordneten Test zu Hause selbst durchführen kann, profitieren alle Parteien. Es lohnt sich also, den neuesten Entwicklungen der Forschungseinrichtungen auf der Spur zu bleiben.

* Dr. T. Schunck, A. Winkler: Fraunhofer ICT-IMM, 55129 Mainz

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