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Mikrofluidik

Zentrifugale Mikrofluidik automatisiert Laborprozesse

| Autor / Redakteur: Mark Keller*, Oliver Strohmeier*, Frank Schwemmer*, Marc Karle* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Lab-Disk für die Proteinstrukturanalyse: Die mikrofluidische Struktur ermöglicht dabei die vollautomatische Probenvorbereitung im Submikroliterbereich.
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Abb. 1: Lab-Disk für die Proteinstrukturanalyse: Die mikrofluidische Struktur ermöglicht dabei die vollautomatische Probenvorbereitung im Submikroliterbereich. (Bild: HSG-IMIT/Bernd Mueller Fotografie)

Lab-on-a-Chip-Anwendungen versprechen automatisierte, sichere und schnelle Analysen. Damit sind sie besonders für die Vor-Ort-Diagnostik geeignet. Vielversprechend ist die Möglichkeit, die Probenvorbereitung in eine Kartusche zu integrieren.

Diagnostische Nachweismethoden umfassen klassischerweise arbeitsintensive und fehleranfällige Laborroutinen. Neben der etablierten kostspieligen Automatisierung in Zentrallabors werden daher zunehmend so genannte Lab-on-a-Chip-Systeme entwickelt: Durch die Miniaturisierung und Automatisierung der durchzuführenden Handhabungsschritte können Arbeitsabläufe eines Zentrallabors auf einem kompakten Testträger integriert werden [3]. Dieser wird dadurch tragbar und kann in unmittelbarer Nähe des Patienten eingesetzt werden (Vor-Ort-Diagnostik). Dadurch ist eine wesentlich schnellere Analyse der Patientenprobe möglich, was in einer Notfallsituation lebensrettend sein kann. Die Steuerung der entstehenden mikrofluidischen Nachweisreaktionen stellt hohe Anforderungen an die Lab-on-a-Chip-Entwicklung.

Das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung (HSG-IMIT) setzt dabei auf einen besonders attraktiven Lösungsansatz: Alle benötigen Mikrofluidik-Strukturen und Reagenzien für einen diagnostischen Nachweis werden auf einer CD-förmigen, einmal verwendbaren Kunststoffdisk, der so genannten Lab-Disk, integriert. Nachdem die Patientenprobe zugegeben wurde, kann das Liquid Handling für die komplette Analyse durch Änderung der Drehgeschwindigkeit der Lab-Disk und der dadurch entstehenden Zentrifugalkraft gesteuert werden.

Da die Lab-Disk als Einwegartikel konzipiert ist, kann diese nach der Untersuchung sicher entsorgt werden – das vermeidet Kreuzkontaminationen. Betrieben wird die Lab-Disk in CD-Player ähnlichen Prozessiergeräten: Abhängig von der diagnostischen Fragestellung kommen diese mit unterschiedlichen Ausstattungsmerkmalen wie Fluoreszenzdetektoren, aktiver Heizung oder stationären Magneten zum Einsatz. Darüber hinaus können bestimmte Lab-Disks in bereits bestehenden Standardlaborgeräten als so genannte mikrofluidische Apps [1] betrieben werden. Die als Technologie-Plattform konzipierte Lab-Disk erlaubt die Integration unterschiedlichster Nachweismethoden. Diagnostische Fragestellungen sind somit im Handumdrehen direkt beim Patienten beantwortet.

Schnelle Bestimmung relevanter Punktmutationen

Zur Abschätzung des Therapieerfolgs bei der Behandlung von Tumor-Patienten mit antikörperbasierten Medikamenten sind zwingend Kenntnisse über den Mutationsstatus des so genannten Kirsten rat sarcoma viral oncogene homologs, kurz KRAS, erforderlich. Aufgrund der hohen Prävalenz – beispielsweise tragen 30 bis 40% aller Darm-Karzinome positive Mutationen – und der damit einhergehenden Therapieresistenz erfolgt im Rahmen von Diagnostik und Therapie eine routinemäßige Analyse der Tumorzell-DNA hinsichtlich der relevanten KRAS-Punktmutationen [2]. Goldstandards für diese Form der Analyse sind zeit- und kostenintensive Sequenzierungsverfahren.

Ergänzendes zum Thema
 
Weitere Informationen: Geometrisches PCR-Multiplexing

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