Zeitvorteil - Plattformtechnologie für das Labor von morgen schon heute greifbar

von Prof. Dr. Frank Bier, Dr. Eva Ehrentreich-Förster, Dipl.-Ing. Soeren Schumacher

Prof. Dr. Frank Bier, Dr. Eva Ehrentreich-Förster,
Dipl.-Ing. Soeren Schumacher,
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam-Golm

Zeitnahe und schnelle Analysen von klinischen Parametern vor Ort nehmen für die heutige Diagnostik eine Schlüsselstellung ein und tragen entscheidend zum Therapieerfolg bei. Geeignete Lab-on-Chip-Systeme, die eine Multiparameteranalyse erlauben, stellen eine gute Lösungsmöglichkeit dar. Dabei spielen neben den wissenschaftlichen Fragestellungen wie der Assaykonzeption auch produktionstechnische Aspekte eine zentrale Rolle, um mit einem Lab-on-Chip-System auf dem In-vitro-Diagnostikmarkt zu bestehen. Forscher in einem Verbundprojekt von sieben Fraunhofer-Instituten stellen dazu die ivD-Plattform vor, deren Ziel die Etablierung einer Plattformtechnologie ist, die modular an verschiedenste diagnostische Aufgaben adaptierbar ist.

In der Regel benötigen medizinische Laboruntersuchungen einige Tage, bis das Ergebnis der Untersuchung auf dem Schreibtisch des Arztes liegt. Dabei vergeht wichtige Zeit, die dem Patienten zugutekommen könnte. Gerade in der Intensivmedizin ist therapeutisches Handeln innerhalb geringer Zeitskalen von entscheidender Bedeutung. Dennoch werden heutzutage Patientenproben oftmals in zentralisierte Labore gebracht, die dann erst nach einigen Stunden dem Arzt ein Ergebnis übermitteln können. Hier setzt ein Verbundprojekt aus sieben Fraunhofer-Instituten an (www.ivd-plattform.fraunhofer.de). Ziel der Arbeiten war es, bestehende Analysemethoden wie Immunoassays oder DNA-basierte Analytik mit definierten „Übersetzungsregeln“ auf ein Lab-on-Chip-System zu übertragen, das eine patientennahe Analytik ermöglicht. Im Zuge der erheblichen Kosten für das Gesundheitssystem einer älter werdenden Bevölkerung muss jedoch zusätzlich die kostengünstige Produktion des Systems und somit der Analysen betrachtet werden. Es entstand dabei die ivD-Plattform, die modular ein Lab-on-Chip-System anbietet, das vom Biomarker über die Assayentwicklung bis hin zur Produktion und somit zum fertigen Produkt alle wichtigen Leistungen vereint. Kernelement des Lab-on-Chip-Systems sind dabei Einweg- Kartuschen aus Kunststoff, die sich durch einen modularen und einfachen Aufbau auszeichnen. Dabei steht die Modularität des Systems im Vordergrund der Entwicklung, da durch die Auswahl der zum Einsatz kommenden Reagenzien und der Sensorsysteme verschiedene Bereiche der molekularen Diagnostik adressiert werden können. Durch die Nutzung einfacher Bauteile wie etwa Spritzguss teile in dieser Kartusche kann eine kostengünstige Produktion in hohen Stückzahlen realisiert werden. Vorteil dieses Systems ist durch die Möglichkeit der Massenproduktion und durch die Integration der Pumpen auf einem Chip, dass keine Verschleppung von biologisch aktivem Material stattfinden kann. Somit wird sowohl das Infektionsrisiko minimiert als auch die Verschleppung von Probenmaterial in eine andere Probe verhindert. Die integrierten Pumpen sind durch eine sich unter den Reservoiren ausdehnende Membran gekennzeichnet, die sich nach Anlegung eines Stroms nach oben hin wölbt und so nacheinander das Probenreservoir (20 ?L) und bis zu acht verschiedene Reagenzienreservoire zwischen 65 und 130 ?L leeren kann.

Die einzelnen Lösungen werden damit über ein Sensorfeld gepumpt, auf dem sich z.B. immobilisierte Antikörper befinden. Antigene innerhalb der Probe können bei Spezifität an diese Antikörper binden. Nach einem Waschschritt werden Sekundärantikörper über das Sensorfeld gegeben, die zurzeit entweder mit einem Fluoreszenzfarbstoff oder mit einem elektrochemisch aktiven Label markiert sind. Durch Spottingtechnologie lassen sich so bei einer optischen Ergebnisauslese mittels TIRF (Total internal reflection fluorescence) bis zu 500 verschiedene analytische Parameter auf kleinstem Raum analysieren. Im Fall der elektrochemischen Messung wurden auf einem Siliziumchip bis zu 16 verschiedene Messspots etabliert. Neben der optischen und elektrochemischen Messauswertung, die als Startpunkt der Arbeiten festgelegt wurden, ist die Adaptation von weiteren Sensorprinzipien möglich. Neben der beschriebenen Anwendung der Kartusche als Plattform für einen Immunoassay ist diese auch für die DNA-Analytik nutzbar. Dabei wird ein Probenaufbereitungsmodul vorgeschaltet, das eine PCR-Amplifizierung von z.B. DNA-pathogenen Keimen möglich macht. Das Amplifikat wird dann wiederum über das Sensorfeld gepumpt, auf dem in diesem Fall DNA-Sonden immobilisiert sind. Die spezifische Hybridisierung an DNA-Sonden zeigt nach geeigneter Sensorik (optisch oder elektrochemisch) die Spezies des Keims an. So werden dem Arzt innerhalb einer geringen Zeit am Ort der Probenabnahme wichtige Informationen geliefert, die zu einer geeigneten Therapie beitragen. Zur Durchführung eines Assays muss medizinisches Personal nur das Probenmaterial wie etwa Blut oder Speichel auf die Kartusche geben. Durch die Verwendung von Kapillarblut kann die Belastung des Patienten auf ein Mindestmaß reduziert werden. Durch die Integration aller funktionsfähigen Bauteile wie z.B. der elektrisch gesteuerten Pumpen auf dem Chip läuft der Assay automatisiert in der Kartusche ab. Die Auslese des Ergebnisses erfolgt dann je nach eingesetztem Sensorprinzip in einer Basisstation, die direkt die diagnostische Information ausgibt. Die ivD-Kartusche wurde so konzipiert, dass alle möglichen Assayformate auf ihr realisiert werden können und dies im Hinblick auf eine effiziente und somit kostengünstige Produktion. Zum einen ist dies durch die Auswahl der Bauteile und deren Materialien gegeben, die im Spritzguss als Massenproduktion hergestellt werden können. Durch die Verwendung von PCB-Technik wird die Elektronik ebenfalls zum Massenprodukt. Zum andern steht dahinter eine modulare Produktionsplattform, die einzelne Stationen für verschiedene Fertigungsschritte kombiniert. Durch diesen Aufbau ist es möglich, je nach Kundenwunsch einzelne Produktionsschritte einfach auf das aktuelle Produkt umzustellen, um somit immer eine kostengünstige Lösung bereitzustellen. Damit können sowohl große als auch kleine Stückzahlen der Kartusche hergestellt werden. Innerhalb der ivD-Plattform wurde so ein Produkt entwickelt, das adaptierbar auf verschiedenste medizinische Fragestellungen ist. Neben den in der Routine angewandten Analysen auf Proteinoder DNA-Ebene kann diese Technologie auch z.B. als Plattform für „Companion Diagnostics“ dienen. Letztlich stellt die ivD-Plattform jedoch durch ihre Modularität in Technik und Produktion nicht nur ein Produkt für die medizinische Diagnostik dar. Auch andere Bereiche wie etwa Lebensmittelkontrolle, Dopingtests oder Umweltparameter können zentral am Ort der Probenentnahme untersucht und Entscheidungen schneller getroffen werden.