(Ein-)Blick in eine Produktentwicklung

Thermocycler für die Point-of-Care-Diagnostik

Für ein MDx-System zur Point-of-Care-Diagnostik wurde ein Thermocycler entsprechend den speziellen Anforderungen ausgelegt.

Die patientennahe Labordiagnostik erfordert geeignete Geräte und Systeme, die von „Nicht-Labor“-Personal gehandhabt werden können und die unbeeinflusst vom jeweiligen Anwender korrekte und reproduzierbare Ergebnisse liefern.

Thermocycler sind eine wichtige Laborausrüstung für die Durchführung von PCR-Tests. Um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, entwickelte ein OEM (Originialgerätehersteller) im Bereich Molekulardiagnostik ein neues Point-of-Care-MDx-Gerät. Für die Compliance-konforme Realisierung holte der Hersteller den EMS-Dienstleister Plexus an Bord (EMS = Electronic Manufacturing Services).

Molekulardiagnostische Lösungen (MDx) zählen zu den Basis-Technologien im Labor, die Gesundheitsdienstleistern helfen, Diagnosen zu stellen und Entscheidungen über die weitere Behandlung von Patienten zu treffen. Labortests mit Methoden der Molekularbiologie können mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit Ergebnisse liefern – sowohl beim Nachweis mikrobieller Krankheitserreger als auch bei der Analyse von Genproben. Im Rahmen der personalisierten bzw. individualisierten Medizin (Precision Health) helfen MDx-Technologien, die individuellen Verschiedenheiten von Patienten bei der Behandlung und Prävention von Krankheiten zu berücksichtigen. Hier spielt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) eine wichtige Rolle. Die PCR vervielfältigt DNA-Spuren und kann so ein Virus (wie z. B. SARS-CoV-2) selektiv nachweisen.

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Thermocycler, auch PCR-Block genannt, sind dazu ausgelegt, den zyklischen Temperaturwechsel einer Polymerase-Kettenreaktion auszuführen. Dabei wird das Erbgut zunächst separiert und anschließend millionen- oder sogar milliardenfach vervielfältigt. Die Proben durchlaufen dazu wiederholt einen dreistufigen, temperaturabhängigen Prozess (Denaturierung, Annealing, Elongation), der als Zyklus bezeichnet wird. Nach jedem Zyklus verdoppelt sich das genetische Material. In der Regel sind also mehrere Zyklen notwendig, ehe das Erbgut analysiert und ein Virus nachgewiesen werden kann.

Mit Beginn der Corona-Pandemie stieg die Nachfrage nach Thermocyclern sprunghaft an. Die für die PCR-Tests zuständigen Akkreditierten Labore in der Medizin (ALM) waren bis an ihre Kapazitäten ausgelastet. Gefragt waren schnellere und bessere Verfahren, um die Flut an Proben bewältigen zu können. Ein besonders schnell wachsendes Segment im Markt für DNA-Analytik sind MDx-Lösungen für den Point-of- Care-Bereich. Sie bieten Ärzten und medizinischem Personal die Möglichkeit, entnommene Proben außerhalb eines zentralen Labors und direkt in der Arztpraxis oder anderen Gesundheitseinrichtungen zu analysieren und so schneller an Ergebnisse zu gelangen.

Hoher Automatisierungsgrad durch integrierte Workflows

Eine solche patientennahe Labordiagnostik stellt jedoch besondere Herausforderungen an die Technik der MDx-Systeme. Dazu gehören unter anderem komplexe, integrierte Workflows, um die Notwendigkeit der Handhabung und des Eingreifens in den PCR-Prozess durch einen Menschen minimal zu halten. Der hohe Automatisierungsgrad der Lösungen soll helfen, das Risiko von potenzieller Kontamination der Proben und damit fehlerhaften Testergebnissen zu reduzieren. Das integrierte Workflowsystem umfasst in der Regel benutzerdefinierte und proprietäre Verbrauchsmaterialien – Kartuschen –, die den Assay beinhalten. Hierfür müssen Thermocycler speziell ausgelegt sein. Bei der Entwicklung einer Point-of-Care-MD-Lösung wandte sich ein Hersteller aus dem Bereich Molekulardiagnostik an den EMS-Dienstleister Plexus. Spezialisten bei Plexus haben Erfahrung im Bereich Life Science und Medizintechnik und bereits in der Vergangenheit mit Auftraggebern an der Realisierung von Thermocyclern gearbeitet und waren dabei sowohl am Design der Geräte als auch an deren Fertigung beteiligt. Gemeinsam machten sich die Teams beider Unternehmen daran, die technischen Herausforderungen auf Entwicklerseite anzugehen und das Point-of-Care-MDx-Gerät in die Produktion zu überführen. Ziel war es, ein CLIA-Waiver, eine Sondergenehmigung der FDA, für das neue Diagnostiksystem zu erhalten. Hohe Zuverlässigkeit, Präzision und vorbeugende Maßnahmen zum Ausschluss von Fehlern am Point-of-Care waren hierfür Grundvoraussetzungen.

Kartuschen-Design und thermische Schnittstelle

Die Liste der technischen Vorgaben war lang: Neben der Konstruktion des Steuersystems für schnelle und wiederholbare Zyklen mussten die Ingenieure auch einen Mechanismus entwickeln, der unterschiedliche Positionen der Kartuschen toleriert. Gleichzeitig waren thermische Schnittstellen nötig, um eine effiziente und wiederholbare Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Zunächst machte man sich bei Plexus an das Design der Kartuschen. Zur Ausführung der PCR war statt der für Thermocycler typischen Platten und Röhrchen eine spezifische Lösung gefragt. Die Spezial-Kartusche sollte einen „logischen“ Weg vorgeben, wie Proben verarbeitet werden, und damit CLIA-Anforderungen nach Zuverlässigkeit und Performance zu erfüllen. Für das Systemdesign war die Maßanfertigung jedoch eine Herausforderung. Ein Knackpunkt stellt das Material dar: In der Regel besitzen Kartuschen eine unregelmäßige Polymeroberfläche. Diese ist als thermische Schnittstelle zu einem thermoelektrischen Kühler (TEC), der zum Heizen und Kühlen der PCR-Kammer verwendet wird, nicht ideal. Den Plexus-Ingenieuren gelang es, Anomalien in der Oberflächenrauheit der Kartuschen zu minimieren und so die thermische Schnittstelle vor der Probenanalyse zu verbessern. Dabei wurden grobe Krümmungen und/oder Oberflächenanomalien in einer Größenordnung von 150 µm berücksichtigt.

Fluoreszenzdetektion über mehrere Proben

Eine weitere Hürde musste genommen werden. Kartuschen sind in der Regel mit mehreren PCR-Kammern ausgestattet, um die parallele Analyse mehrerer Proben zu ermöglichen. Das neue Gerät sollte thermische Zyklen gleichzeitig in drei Probenkammern durchführen. Gleichzeitig mussten die PCR-Kammern für die Echtzeitüberwachung durch Mehrkanal-Fluoreszenzdetektion zugänglich bleiben. Bei dieser Variante der klassischen PCR – auch Real-Time-PCR oder quantitative PCR (qPCR) genannt – werden dem Verfahren Fluoreszenzfarbstoffe hinzugefügt, die sich in den vervielfältigten Proben einlagern. Die Genamplifikation lässt sich so farblich nachverfolgen: Je höher die Fluoreszenz, desto größer die Anzahl der kopierten DNA.

Temperaturstabilität in jeder Phase

Temperaturkontrolle über alle drei PCR-Kammern. © Plexus

Schließlich ging es an die präzise Temperaturkontrolle – das A und O eines guten Thermocyclers. Das Gerät muss schnell, zuverlässig und präzise zwischen den jeweiligen Temperaturen des dreistufigen Zyklus wechseln können. Hohe Temperaturuniformität ist für die Zuverlässigkeit des Verfahrens entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu liefern. Schwankungen dürfen nur innerhalb weniger zehntel bis hundertstel Grad Celsius liegen. Der hier entwickelte Thermo- cycler erfüllt nun diese Anforderung, wodurch die thermische Gleichmäßigkeit von Probe zu Probe zwischen den Kartuschen-Kammern sichergestellt ist. Die Grafik zeigt die Temperaturkontrolle dreier PCR-Kammern, die ausgehend von einer Umgebungstemperatur von ca. 23 °C zwischen 50 °C und 95 °C zyklisiert wurden. Für den Temperaturwechsel von 45 °C braucht der Thermocycler durchschnittlich ca. 4 s. Bei einer Temperatur von 95 °C liegt die Temperaturgenauigkeit bei 0,13 ± 0,009 °C.

Die Ingenieure von Plexus unterzogen das komplette System einer Analyse, einschließlich der Kartuschen, und identifizierten kritische Aspekte. Die daraus resultierenden Designoptionen wurden in anschließenden Tests einer genauen Prüfung unterzogen, um die optimale Lösung zu finden. Auch Faktoren, die sich auf den Produktlebenszyklus der Lösung auswirken, wie etwa Materialkosten, Entwicklungszeit, Herstellbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Lebensdauer der Komponenten, wurden berücksichtigt. Das auftraggebende Unternehmen konnte sein Point-of-Care-MDx-System erfolgreich in den Markt einführen.

AUTOR
Robert Frodl
Director DACH Customer Development for Engineering Solutions
Plexus, Darmstadt
plexus.deutschland@plexus.com
www.plexus.com/de

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