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Mikrofluidik Zentrifugale Mikrofluidik automatisiert Laborprozesse

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

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.

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

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.

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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.

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