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Patientennahe Diagnostik Patientennahe diagnostische Versorgung realisieren

Autor / Redakteur: Soeren Schumacher*, Dirk Michel*, Eva Ehrentreich-Förster* und Frank F. Bier* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Diagnostik vor Ort ist eines der Schlüsselthemen der letzten Jahre. Dennoch sind bisher nur einzelne Lösungen am Markt erhältlich. Ein aktuelles Forschungsprojekt zeigt, wie diese Diagnostik mit Laborqualität gewährleistet werden kann.

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Die ivD-Plattform ist die zentrale Komponenten für die patientennahe Diagnostik. (Bilder: Fraunhofer IBMT und Fraunhofer IPM)
Die ivD-Plattform ist die zentrale Komponenten für die patientennahe Diagnostik. (Bilder: Fraunhofer IBMT und Fraunhofer IPM)

Der schnelle Zugriff auf Informationen ist einer der wichtigsten Trends in der heutigen Gesellschaft. Dies betrifft viele Bereiche, wobei hiervon das Gesundheitswesen nicht unberührt bleibt. Gerade vor dem Hintergrund von externen, sich verändernden Rahmenbedingungen wie etwa einer älter werdenden Bevölkerung, erhöhte Mobilität und Migration durch Globalisierung, muss auch im Gesundheitswesen der Zugriff auf Informationen schnell erfolgen. So können medizinische Entscheidungen schneller getroffen, dem Patienten idealerweise schneller geholfen und einhergehend damit Kosten für das Gesundheitssystem gesenkt werden.

Dabei zeigt sich in den letzten Jahren, dass auch die In-vitro-Diagnostik einen immer wichtigeren Stellenwert einnimmt. Dies ist besonders dadurch bedingt, dass im Vergleich zu Medikamenten oder anderen Therapiemaßnahmen, Diagnostik preisgünstig verfügbar ist und durch eine verbesserte Diagnostik Therapiemaßnahmen gezielter eingesetzt und so nachhaltig Kosten eingespart werden. Eine Sonderstellung nimmt dabei die so genannte „Companion Diagnostics“ ein: Vor der Gabe eines Therapeutikums muss auf molekularer Ebene diagnostisch verifiziert werden, ob das Medikament bei dem Patienten überhaupt wirken kann. Diese Art der personenbezogenen Medikamentengabe wird auch häufig als „personalisierte Medizin“ bezeichnet.

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Ein limitierender Faktor für den sinnvollen Einsatz von In-vitro-Diagnostik ist oftmals die Verfügbarkeit der Analysedaten, da nach erfolgter Probennahme durch den Arzt oder medizinisch geschultes Personal, die Probe in ein Labor geschickt werden muss. Erst nach einiger Zeit ist dann das Ergebnis der Analyse verfügbar und der Arzt kann die Therapie einleiten. In der verkürzten „turn-arround-time“, das ist die Zeit von der Probennahme bis zur Ankunft der Daten beim Arzt, liegt daher der Hauptvorteil der Vor-Ort-Diagnostik. Dieser Vorteil kommt sowohl dem Patienten als auch dem Arzt sowie dem Gesundheitswesen insgesamt zugute.

Aus all diesen Gründen finden sich zurzeit bereits verschiedene Systeme auf dem Markt, die eine patientennahe Versorgung gewährleisten sollen. Diese sind jedoch limitiert durch die Anzahl der zu messenden Parameter und der Möglichkeit einer Quantifizierung. Ein Ziel des Fraunhofer-internen Forschungsprojektes war es somit ein System zu entwickeln, welches die parallele Analyse und Quantifizierung einer Vielzahl von Parametern am Ort der Probenentnahme realisieren kann.

Unter dem Namen Fraunhofer ivD-Plattform wurde mit sieben Fraunhofer-Instituten ein System entwickelt, das aus einer kreditkartengroßen Kartusche und einer Basiseinheit besteht (s. Abb. 1 und 2). Mit diesem System ist es möglich innerhalb von 15 min bis zu 500 verschiedene Parameter in Laborqualität am Ort der Probenentnahme zu messen. Basis des Systems ist eine mikrofluidische Kartusche, die sowohl aktive als auch passive Komponenten vereinigt und somit eine vereinfachte Handhabung gewährleistet, ohne die Qualität der Analyse durch Fehlbedienung zu gefährden.

Transfer von biomedizinischen Assays

Das Hauptziel der ivD-Plattform war es, ein System zu entwickeln, welches die Möglichkeit bietet, verschiedene biomedizinische Assays auf die Analyse-Kartusche übertragen zu können. Daher ist die Plattform offen für unterschiedliche Biosensoren. Viele biomedizinische Assays beruhen auf einer Bindungsreaktion zwischen einem Fängermolekül, welches meistens Antikörper sind, und dem dazugehörigen Analyten. Diese so genannten Immunoassays werden in Laboren in Mikrotiterplatten durchgeführt. Um Analysen vor Ort zu gewährleisten, musste jedoch ein anderes Format gewählt werden. Dazu bot sich die Mikroarraytechnik an, da hier ausgehend von etablierten Immunoassays lediglich eine Miniaturisierung dieser auf einer Oberfläche nötig ist. Vorteil der Miniaturisierung ist neben dem geringen Materialverbrauch auch die Erhöhung der Schnelligkeit der Bindungsreaktion, was besonders bei einem Einsatz vor Ort von essenzieller Bedeutung ist.

Mikroarrays zur Parallelisierung von Analysen

Seit vielen Jahren werden Mikoarrays zur Parallelisierung von Analysen verwendet. Dabei werden verschiedene Fängermoleküle wie etwa Antikörper oder DNA-Sonden auf einer Oberfläche immobilisiert. Wichtig ist hierzu die Modifizierung der Oberfläche, da die Fängermoleküle trotz Immobilisierung ihre biologische Aktivität (das Binden von Zielmolekülen) nicht verlieren dürfen. Vorteil der Mikroarraytechnologie ist es, verschiedene Fängermoleküle auf engem Raum zu immobilisieren. Dies geschieht durch Absetzen von kleinen Flüssigkeitsmengen (0,1 bis 1 nL) auf der Oberfläche. Dadurch entstehen Spots in µm-Größe, die jeweils verschiedene Fängermoleküle beinhalten und so verschiedene Analyten aus der Probe binden können. Zur Quantifizierung wird ein weiterer Antikörper über den Array gegeben, der von der gegenüberliegenden Seite an den Analyten bindet. Da dieser sekundäre Antikörper mit einem Fluorophor markiert ist, kann über eine Optik die Quantifizierung erfolgen (s. Abb. 3). Auf der Fraunhofer ivD-Plattform ist es möglich, mehrere hundert Fängermoleküle abzusetzen und so vor Ort zu messen.

Integration – Alles auf einer Kartusche

Der Anspruch bei der Entwicklung der ivD-Plattform bestand darin, ein System zu entwickeln, welches die benötigten Prozessschritte eines Mikroarrays in einem handlichen Format gewährleisten konnte. Im Gegensatz zu vielen anderen Entwicklungen sollte ein System etabliert werden, welches alle benötigten Technologien, Reagenzien und Sensoren in einer Kartusche vereint (s. Abb. 2). Daher wurde hier der technologische Fokus besonders auf das Prinzip der Integration gelegt. Das so entstandene Kernelement ist eine Kartusche, die Pumpen- und Heizfunktionen integriert hat. Zur Prozessierung eines Assays muss lediglich eine Spannung angelegt werden, um etwa eine Blutprobe von der Probenkammer über den Mikroarray zu befördern. Benötigte Waschlösungen und Reagenzien befinden sich ebenfalls vorgelagert auf der Kartusche, sodass keine fluidischen Schnittstellen nach außen bestehen. Eine Basisstation muss somit nur die für die Ansteuerung der Kartusche notwendige Elektronik und die für den Nachweis benötigte Optik oder Elektronik beinhalten. Der Nachweis kann je nach Fragestellung entweder optisch über eine Fluoreszenzmarkierung oder elektrochemisch über ein enzymatisch umgesetztes Substrat erfolgen. Die Auswertung und Quantifizierung der Messergebnisse erfolgt durch eine problembezogene Software.

Offenes Konzept ermöglicht viele Anwendungsgebiete

Durch das offene Konzept der hier vorgestellten Technologie können nun verschiedene Mikroarrays auf die Fraunhofer ivD-Plattform transferiert werden. Somit können auch verschiedene Anwendungsgebiete einfach adressiert werden. Anwendungsgebiete sind vor allem dort zu finden, wo eine (schnelle) Analyse von Parametern vor Ort wichtig ist. Dies ist sicherlich bei der patientennahen diagnostischen Versorgung besonders im notfallmedizinischen Bereich wichtig. Grundsätzlich sind aber auch Anwendungen außerhalb der Diagnostik auf der Plattform realisierbar zum Beispiel in den Bereichen von Umweltschutz, Landwirtschaft oder Lebensmittelkontrolle.

Literatur

[1] Schumacher, S., Nestler, J., Otto, T., Wegener, M., Ehrentreich-Forster, E., Michel, D., Wunderlich, K., Palzer, S., Sohn, K., Weber, A., Burgard, M. Grzesiak, A., Teichert, A., Brandenburg, A., Koger, B., Albers, J., Nebling, E., Bier, F.F.: „Highly-integrated lab-on-chip system for point-of-care multiparameter analysis“; Lab Chip, 2012, 12, 464-473

* *Dr. S. Schumacher, D. Michel, Dr. E. Ehrentreich-Förster, Prof. Dr. F. F. Bier: Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik IBMT, Institutsteil Potsdam, 14476 Potsdam

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