Analytik am Point-of-Care

Lab-on-a-Chip-Plattform unterstützt molekulare Diagnostik von Infektionskrankheiten

Eine neu entwickelte mobile, autonom arbeitende Plattform für die nukleinsäurebasierte, patientennahe Diagnostik von Influenza nutzt die RT-PCR-Technik, um die RNA der Viren zu vervielfältigen und in Echtzeit zu detektieren.

Bild 1: Die händischen Schritte umfassen die Entnahme eines nasopharyngealen Abstrichs, den Transfer in das Probengefäß sowie das Einlegen der Kartusche in das Panplex-Gerät. © Fraunhofer IMM

Am Fraunhofer IMM entwickeln die Wissenschaftler im Technologiefeld „Patientennahes Testen“ Gesamtsysteme zum patientennahen Testen bzw. für das Patienten-Monitoring. Dazu gehören neben Entwicklungen der Hard- und Software auch die Entwicklung maßgeschneiderter Assays an eine automatisierte und mikrofluidische Umgebung. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsvorhabens mit der R-Biopharm GmbH ist kürzlich eine mobile, autonom arbeitende Plattform für die nukleinsäurebasierte, patientennahe Diagnostik von Influenza entwickelt worden. Diese nutzt die RT-PCR-Technik, um die RNA der Viren zu vervielfältigen und in Echtzeit zu detektieren. Neben dem Infektionsstatus des Patienten kann auch der Subtyp des Influenza-Virus bestimmt werden. Dieser Informationsgewinn soll bei der schnellen Eindämmung der Ausbreitung einer Erkrankung helfen.

Bei der Entwicklung der Plattform wurde ein neues Heizkonzept mit neun Mikroheizzonen umgesetzt, das eine niedrige Prozessierungszeit von unter 30 Minuten für bis zu 40 PCR-Zyklen ermöglicht. Die Assay-Reagenzien sind in neun Trays auf der Prozesskartusche in lyophilisierter Form gelagert und ermöglichen somit bis zu 18 verschiedene Detektionsreaktionen.

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Um den Infektionsstatus zu analysieren, ist nur ein nasopharyngealer Abstrich notwendig, der in den Probenbehälter überführt wird. Dieser wird auf der Mikrofluidikkassette platziert und in ein dort vorgelagertes Agens überführt. Anschließend wird die Probenverarbeitung auf dem Gerät gestartet (Bild 1). Alle folgenden Prozessschritte und die Messung erfolgen vollautomatisch in der Kartusche. Durch die Minimierung der händischen Schritte und der Vereinfachung des Prozesses ist der Einfluss der Fehlerquelle Mensch minimiert und die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse sind gesichert. Dieser Aspekt der „Benutzerfreundlichkeit“ ist auch notwendig, um sich für einen „CLIA-waiver“ [2] zu qualifizieren, sobald ein Testsystem von der FDA genehmigt wurde. CLIA steht für die „Clinical Laboratory Improvement Amendments“, und nach deren Kriterien sollen die Einfachheit, die Genauigkeit und die Verlässlichkeit eines Tests sichergestellt sein, um nicht-ausgebildeten Anwendern zu ermöglichen den Test mit einem möglichst geringen Risiko fehlerhafter Ergebnisse durchzuführen.

Bild 2: Mikrofluidik-Kartusche im Panplex-Gerät. © Fraunhofer IMM

Eine weitere wichtige Stufe der Testentwicklung war die Anpassung des Assays auf die mikrofluidische Konzeption. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Systemen kann bei Panplex auf eine Festphasenreinigung und Anreicherung der Nukleinsäuren verzichtet werden. Der Test basiert auf einer multifunktionalen „Verarbeitungsflüssigkeit“, die im Probenbehälter vorgelagert ist. Diese Mehrzweckflüssigkeit dient der Homogenisierung der Probe sowie der Lyse der Viruspartikel; sie ist außerdem mit den lyophilisierten Assay-Reagenzien zur Amplifikation ohne vorherige Nukleinsäurereinigung kompatibel.

Die Mikrofluidik-Kartusche wird als Einwegprodukt aus kostengünstigen Kunststoffen gefertigt, um eine Probenverschleppung zwischen Patientenproben zu verhindern. Zusätzlich entfallen ein Reinigungsschritt und die Bevorratung einer Reinigungslösung. Das Design der Kartusche wurde an die Applikation individuell angepasst und optimiert. Je nachdem enthalten die Kartuschen mehr oder weniger fluidische Komponenten. Das Analysegerät hält die Kartusche in einer sicheren Position und steuert die komplexen Assay-Abläufe durch eine Vielzahl an fluidischen Elementen (Pumpen, Ventile, Überwachung der Position der Flüssigkeiten) auf der Kartusche (Bild 2).

Bild 3: Panplex-Gerät zur automatisierten Durchführung des Influenza-Nachweises. © Fraunhofer IMM

Flexible POCT- Technologieplattform
Die Point-of-Care-Testing- (POCT) Technologieplattform ist für den Einsatz vor Ort konzipiert, so dass keine spezielle Schulung und Einarbeitung notwendig sind. Das Design der Plattform wurde so erstellt, dass sowohl die zugrunde liegenden Reaktionen als auch Probenahme und -verarbeitung flexibel an viele andere Applikationsgebiete angepasst werden können. Auf dieser Basis kann die Plattform umgestaltet und ganz andere Krankheitsbilder können getestet werden (z. B. respiratorische Viren, sexuell übertragbare Krankheiten, MRSA und verwandte Resistenzmarker). Die Flexibilität der Plattform geht sogar so weit, dass sie nicht auf die molekulare Diagnostik beschränkt ist. Auch Anwendungsgebiete aus der zivilen Sicherheit, der Veterinärmedizin oder der Überwachung von Lebensmitteln, Kosmetika oder industriellen Rohstoffen sind denkbar.

Fazit
POCT-Geräte ermöglichen Ärzten einen schnellen Zugang zu Testergebnissen und erhöhen die Qualität und Effizienz in der medizinischen Versorgung. Außerhalb des Krankenhauses ermöglichen POCT-Systeme Labordienstleistungen für unterversorgte Regionen und in Arztpraxen. Schnelle Testergebnisse ermöglichen es Patienten und Ärzten Fortschritte zu bewerten, Ergebnisse zu überprüfen und Behandlungsschemata in einem einzigen Besuch festzulegen. Dies kann zu einem verbesserten Krankheitsmanagement, zu mehr Therapietreue und zu mehr Patientenzufriedenheit führen. Eine größere Verfügbarkeit von POCT-Systemen für häufiger durchgeführte Routinetests könnte die Effizienz weiter verbessern.

Förderung
Die vorgestellten Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung in den Projekten Ne(x)d (FKZ 031599B), FastPlex (FKZ 0316048B) und PanPlex (FKZ 13N134846) sowie durch das 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Kommission im Projekt TheraEDGE (216027) gefördert.

Literatur:
[1] AG Influenza der Ständigen Impfkommission (STIKO): Wissenschaftliche Begründung für die Empfehlung des quadrivalenten saisonalen Influenza-Impfstoffs. Epid Bull 2018; 2: 19 – 28 | DOI 10.17886/EpiBull-2018-002.
[2] Clinical Laboratory Improvement Amendments. (CLIA) https://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/IVDRegulatoryAssistance/ucm124105.htm.

AUTOREN
Dr. Tobias Schunck
Dr. rer. nat. Markus-Jürgen Sommer
Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, Mainz

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