Labordiagnostik Point-of-Care-Analytik: Mikrofluidik neu gedacht

Lab-on-a-Chip-Testsysteme sind gerade für die Vor-Ort-Analyse ideal: Sie sind klein, schnell und machen Testergebnisse schnell verfügbar. Mikrofluidische Expertise ist entscheidend für die Entwicklung solcher Einheiten, wie unser Beitrag zeigt.

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Jeder kennt diese Aussage des Hausarztes: „In 10 Tagen haben wir dann das Ergebnis Ihrer Blutuntersuchung. Rufen Sie dann einfach nochmal an und wir vereinbaren einen weiteren Termin.“

Ein durchaus nachvollziehbarer Vorgang, muss die Bestimmung der unterschiedlichen Parameter doch üblicherweise in einem speziell dafür ausgestatteten Labor vorgenommen werden. Das ist nicht nur zeitaufwändig sondern kostet das Gesundheitssystem auch Milliarden Euro pro Jahr.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass über moderne Diagnostik-Methoden solche Schleifen vermieden werden sollen. Ein Ziel ist es, die Diagnostik näher beim Patienten durchführen zu können Point-of-Care- oder Point-of-Need-Tests sind hier gängige Schlagwörter. Ein solches Testsystem besteht dann oftmals neben dem Detektionsgerät aus einer speziellen Cartridge, auf der quasi die komplette Analyse durchgeführt wird. Idex Health & Science ist einer der weltgrößten OEM-Partner für die Entwicklung und Herstellung solcher integrierten Lösungen. Das Unternehmen bietet sich als Partner der Diagnostik-Industrie an. Neben Fluidik- und Optik-Komponenten für die korrespondierenden Detektionsgeräte liegt der Fokus auf der kollaborativen Entwicklung entsprechender Cartridges von der Idee bis zur Serienproduktion. Ziel ist, komplexe Assays funktional auf einfach zu verwendende Cartridges zu überführen.

Was charakterisiert einen guten Point-of-Care-Test?

Eine wichtige Leitlinie im Bereich der PoCT ist eine Ausarbeitung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) aus dem Jahr 2006. Mit dieser Richtlinie bietet die WHO eine leicht zugängliche Orientierung für Unternehmen, die PoCT-Lösungen zum Nachweis von sexuell übertragbaren Infektionen (STI) entwickeln. STIs sind ein großes Gesundheitsproblem in Entwicklungsländern und in Industrieländern beispielsweise für Krankheiten wie Chlamydien oder HIV.

Hiernach gelten für optimale PoCT-Systeme bestimmte Richtlinie, die auch unter dem Synonym „ASSURED“ bekannt sind. Sie gelten dabei nicht nur für STIs sondern auch für eine Vielzahl anderer medizinischer Indikationen. „ASSURED“ bedeutet im Einzelnen:

• Affordable (erschwinglich): Der Test soll günstig sein damit er möglichst flächendeckend eingesetzt werden kann.

• Sensitive (sensitiv): der Test muss so sensitiv sein, dass es nur eine geringe Anzahl von falsch-negativen Ergebnissen gibt.

• Specific (spezifisch): Der Test muss so spezifisch sein, dass es nur eine geringe Anzahl falsch-positiver Ergebnisse gibt.

• User-friendly (benutzerfreundlich): Es müssen möglichst wenig Schritte zur Durchführung des Tests nötig sein.

• Rapid & Robust (schnell & robust): Der Test darf nur kurze Zeit dauern und relativ unabhängig von äußeren Einflüssen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) sein.

• Equipment-free (Ausrüstungs-frei): Zur Durchführung des Tests werden nur geringe apparative Aufbauten benötigt.

• Delivered (auslieferbar): an Endanwender lieferbar

Typischerweise bestehen PoNT- und PoCT-Systeme aus einem Instrument und einer (Einweg-)Kartusche, oder auch Lab-on-a-Chip-System. Zusätzlich zur Durchführung außerhalb des Labors wird der Test i.d.R. von nicht labortechnischem/nicht geschultem Personal durchgeführt. Das ist der Grund, warum Benutzerfreundlichkeit so wichtig ist.

Eine lange Haltbarkeit ist eine Grundvoraussetzung für den Einsatz solcher PoCT-Tests. Dies gelingt u.a., indem man die Reagenzien und die Instrumente voneinander trennt.

Daher ist die Grundidee bei der Entwicklung und Produktion solcher PoCT-Systeme, eine Kartusche bereitzustellen, die möglichst ohne Flüssigkeitsschnittstellen zum Detektions-Gerät arbeitet. Dies wird durch die Lagerung der benötigten Reagenzien und der entsprechenden Puffer direkt auf der Kartusche gewährleistet. Abbildung 1 zeigt eine typische Kartusche mit den einzelnen Segmenten.

Reagenzien-Handling auf dem PoCT-System

Abhängig von der Komplexität des Assays muss eine beträchtliche Anzahl von (unterschiedlichen) Puffern und/oder Reagenzien auf der Kartusche gelagert werden. In typischen PoCT-Anwendungen variiert die Anzahl zwischen einem und vier pro Karte (in Ausnahmefällen kann dies aber bis zu 20 betragen). Die Art und das Volumen des Reagenz variieren mit dem Assay. Tabelle 1 zeigt eine Auswahl unterschiedlicher Reagenzien und wofür sie in PoCT-Systemen genutzt werden.

Gerade das Reagenzien-Handling auf dem Chip stellt bei solchen PoCT-Systemen eine große Herausforderung dar. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, die Menge und Art der eingesetzten Substanzen setzen ein enormes Entwicklungs-Know-how voraus. Während in der Vergangenheit durchstechbare Aluminiumbeutel für Flüssigkeitsverpackungen verwendet wurden, umfassen neuere Entwicklungen die Lagerung in Blisterverpackungen und/oder Lagertanks auf dem Chip; beide Optionen können hierbei mit so genannten Frangible Seals (quasi „Sollbruchstellen“ im Blister) ausgestattet werden. Welches Konzept für eine bestimmte Anwendung das richtige ist, hängt von einer Reihe von Aspekten ab.

Neben den vorher genannten Aspekten der Haltbarkeit ist die Prozesskette in der der Fertigung ein wichtiger Faktor. Zu den typischen Anforderungen an die PoCT-Systeme gehören:

• Lagerfähigkeit (typischerweise 6-24 Monate),

• Lagerung von wasser- und alkoholbasierten Flüssigkeiten,

• ein kontrollierbarer Öffnungsmechanismus (manuell oder mithilfe einer einfachen Mechanik),

• die steuerbare Flüssigkeitsabgabe sowie

• Volumenkapizäten vom µl- bis in den ml-Bereich.

Da die meisten Lab-on-a-Chip-Plattformen aus Polymeren bestehen, ist es wichtig, Polymere mit ausreichenden Barriereeigenschaften zu verwenden, um auch die Lagerung flüchtiger Reagenzien zu ermöglichen. Auch hier werden die Hohlräume mit Frangible Seals verschlossen, die dann bei der Detektion vom Gerät geöffnet werden. Die meisten PoCT-Kartuschen erfordern die Lagerung von Trockenreagenzien. Die Lagerung von Reagenzien in einem trockenen (oder lyophilisierten) Zustand kann erforderlich sein, um die gewünschte Haltbarkeit zu gewährleisten. Auch hier kann die Anzahl der (unterschiedlichen) Reagenzien je nach Komplexität des Assays hoch sein. Einige Kartuschen erfordern die Lagerung von bis zu 15 verschiedenen Trockenreagenzien. Die für die Reagenzienvorbereitung (Trocknen und Lyophilisieren) benötigte Zeit ist reagenzienabhängig und kann zwischen Minuten und Tagen variieren. Dies hat selbstverständlich einen erheblichen Einfluss auf den Arbeitsablauf bei der Produktion solcher Kartuschen. Heutzutage übliche Verfahren zum Platzieren von Trockenreagenzien in eine Kartusche beinhalten beispielsweise die Abgabe und anschließende Trocknung des flüssigen Reagenz in ausgewählten Mikrofluidik-Kammern und -Kanälen direkt auf der Kartusche. Weitere Konzepte bei der PoCT-Herstellung setzen auf die Platzierung von Reagenzpellets. Drei Qualitätsanforderungen an das Handling und die Lagerung der Trockenreagenzien ergeben sich, wenn

• das Reagenz getrocknet werden muss,

• die Trocknungsprotokolle und/oder Umgebungsbedingungen für jedes Reagenz unterschiedlich sind sowie

• die Herstellungsverfahren der Kartuschen nicht mit empfindlichen Reagenzien kompatibel sind.

Eine Alternative und sich immer stärker durchsetzende Technik ist die Trennung des Trocknungsverfahren vom Herstellungsprozess der Cartridges. Auf so genannten Reagent Plugs werden die Reagenzien getrocknet oder lyophilisiert. Die präparierten Reagent Plugs werden dann auf der Cartridge so positioniert, dass die mit der Reagenz versehene Spitze in den Flüssigkeitskanal ragt. Fließt dann beim Durchführen des Tests Flüssigkeit durch den Kanal, löst sich die Reagenz in den Flüssigkeitsstrom.

Fazit: Mikrofluidische Expertise garantiert Erfolg

Das Design, die Integration des Probenhandlings, die Zugabe von Nass- und Trockenreagenzien und der abschließende Assay-Nachweis in einem mikrofluidischen System erfordern Know-how und Präzision – vom Prototypen bis zur Serienfertigung. Viele Diagnostik-Hersteller stehen bei solchen Entwicklungen vor einer Vielzahl von Problemen: Dies sind beispielsweise das fehlende Mikrofluidik-Know-how oder die Herausforderung, in der Serienfertigung Kosten und Produktionsprozess zu optimieren.

Das gilt insbesondere dann, wenn der Hersteller auf Komponenten-Zulieferer angewiesen ist. Idex Health & Science bietet hierfür den kompletten Entwicklungsansatz solcher Sample-to-Answer-Lösungen an: die Expertise zur Herstellung und Integration von Kunststoff, Glas, Reagenzien und Detektionskomponenten in ein Lab-on-a-Chip-System sowie die Serienproduktion der Cartridges für den Kunden. Solche Projekte werden in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber von der Idee bis zur Serienfertigung etabliert. So wird die Assay-Performance maximiert, das Risiko reduziert und es wird eine vollständige Optimierung der Herstellungsprozesse ermöglicht. map

* Kontakt: Idex Health & Science, www.idex-hs.com

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