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Mikrofluidik ermöglicht schnelle Analyse

Legionellen in Rekordzeit quantifizieren

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Zusätzlich zu der genaueren Bewertung und der schnelleren Quantifizierung spricht für die durchflusszytometrische Detektion, dass sie den physiologischen Zustand von Zellen anzeigt. So können beispielsweise membrangeschädigte, und damit tote Zellen, von lebendigen Zellen unterschieden werden. Dies geschieht mit speziellen Farbstoffen, die nur in beschädigte, tote Zellen eindringen können. Durch die stärkere Färbung der toten Zellen, sind diese einfach zu identifizieren.

Die Möglichkeit, nicht nur die Präsenz, sondern auch die physiologischen Zustände von Zellen zu beurteilen, ist von besonders großem Nutzen bei Desinfektionsmaßnahmen. Damit ist die Basis geschaffen, um heutige Desinfektions- und Sanierungsmaßnahmen, die leider nicht immer zu einer nachhaltigen Problemlösung führen [4, 15] neu zu bewerten und verbesserte Verfahren anzubieten. Neue Testverfahren ermöglichen also auch die Optimierung der Sanitär- und Gebäudetechnik, beispielsweise durch verbesserte Rohrleitungssysteme oder Probeentnahmestellen an kritischen Stellen.

Automatisierung mithilfe der Mikrofluidik

Das entwickelte Cellstream-Gerät bedient sich zahlreicher Vorteile der Mikrofluidik, um die Zellseparation effizient und automatisch zu bewerkstelligen. Die Integration der Mikrofluidik in Kartuschen reduziert Anwendungsfehler dramatisch und senkt die Arbeitszeit deutlich. Dank der Parallelisierbarkeit der Mikrofluidik können in einer Kartusche mehrere Proben gleichzeitig verarbeitet werden.

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Da die Flüssigkeit in der Kartusche aufgrund der kleinen Kanaldimensionen laminar fließt, d.h. turbulentes Fließverhalten verhindert wird, ermöglicht das Verfahren eine sehr hohe Prozesskontrolle. Die Dosierung der Probe innerhalb der Kartusche lässt sich dadurch zeitlich und örtlich genau steuern, was in Kombination mit einem stark lokalisierten Magnetfeld innerhalb der Mikrofluidik im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine viel effizientere magnetische Aufreinigung erlaubt. Dies hat zur Folge, dass die mittels Mikrofluidik aufgereinigte Probe die störenden Hintergrundsignale weitestgehend eliminiert und diese somit während der Messung im Durchflusszytometer nicht mehr stören. Die manuelle Grenzwertbestimmung, im Fachjargon „gating“ genannt, wird somit an einem konventionellen Durchflusszytometer extrem vereinfacht.

Dank der Automatisierung der Zellseparation ist der Arbeitsablauf simpel. Nach Filtration einer Wasserprobe von bis zu einem Liter werden die Zellen von der Filteroberfläche abgelöst und in eine Pufferlösung aufgenommen. In dieses folglich sehr viel kleinere Volumen werden nun die Antikörper mit Fluorophoren und magnetischen Nanopartikeln hinzugegeben. Nach Abschluss der Inkubation werden die Proben in die mikrofluidische Kartusche pipettiert und vom Cellstream-Gerät vollautomatisch aufgereinigt. Die Flüssigkeit in der Kartusche wird mittels eines patentierten Mikroluftdruckverfahrens durch die mikrofluidischen Kanäle bewegt – die Flüssigkeit verweilt somit stets in der Kartusche. In Kombination mit dem Einweg-Gebrauch der Kartusche kann somit eine ungewollte Kreuzkontamination praktisch ausgeschlossen werden. Im Anschluss an die Aufreinigung in der Kartusche kann die Probe mit den gefärbten Zielorganismen in ein Durchflusszytometer überführt und die Zellzahl bestimmt werden. Der gesamte Ablauf ist in Abbildung 1 veranschaulicht.

Weitere Kits sind bereits in der Pipeline

Das Cellstream ist seit Mitte 2016 kommerziell mit einem Kit für Legionella pneumphila SG1 erhältlich. Noch in diesem Jahr werden Kits für L.p. SG 1-15 und L. spp. auf den Markt kommen. Weitere Kits zur Detektion von Pseudomonas aeruginosa, Salmonellen und E. coli sind in Entwicklung.

Eine weitere Anwendung der Cellstream-Separation ist die Verwendung der aufgereinigten Proben für die heutigen Kultivationsverfahren. Durch die Methode wird störende Begleitflora eliminiert, was eine sinnvolle Detektion von Legionellen in Oberflächengewässern, Abwässern und Kühltürmen ermöglicht. Studien dazu sind am Laufen und zeigen bereits vielversprechende Resultate.

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