Lab-on-a-Chip: automatisierte Blutdiagnostik und Nukleinsäureanalytik mit Mikrofluidiksystemen

17.12.2008 - (idw) Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG IMIT)

Lab-on-a-Chip Technologien auf Basis mikrofluidischer Systeme eröffnen der medizinischen Diagnostik, der Biotechnologie und der Verfahrenstechnik vielfältige Möglichkeiten. Davon ist das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT) überzeugt und präsentierte auf der BioTechnica 2008 die aktuellsten Entwicklungen im Bereich
Lab-on-a-Chip. Beispielhafte Anwendungen sind die patientennahe, automatisierte Bestimmung medizinisch relevanter Blutwerte auf Basis von Verfahren der klinischen Chemie, Immunoassays aber auch der DNA - Analytik mittels Real-Time PCR.

Für die automatisierte Extraktion und Analyse von z.B. Nukleinsäuren (DNA) aus Vollblut wurden zentrifugal betriebene Kartuschen entwickelt. Das sind monolithische (aus einem Material aufgebaut) Kunststoffmodule mit Strukturen im Mikrometermaßstab. Sie ermöglichen exaktes Handling kleinster Flüssigkeitsmengen. Der Transport der Flüssigkeiten durch die Kanäle und Kammern in den Kartuschen erfolgt durch Rotation in einem Analysegereät nach dem Prinzip einer Zentrifuge. Im Wechselspiel mit Kapillarkräften in speziell konstruierten Mikrostrukturen werden die Zentrifugalkräfte genutzt, um Flüssigkeiten auf verschiedenste Art und Weise zu bewegen. Dadurch können komplexe Analyseprozesse realisiert werden. So können Nukleinsäuren extrahiert und untersucht werden, aber auch die genaue Bestimmung der Konzentrationen von Hormonen und Serumproteinen durch Immunoassays ist möglich.

Das Lab-on-a-Chip Konzept des HSG-IMIT besteht aus einer für die jeweilige Anwendung konfektionierte Disk oder Kartusche mit Mikrofluidikstrukturen und einem Lesegerät. Damit stellt sich das HSG-IMIT den gestiegenen Marktanforderungen der gesamten Laborwelt: Es wird eine leichte Handhabung und niedrige Kosten mit schnellen und präzisen Ergebnissen verlangt, bei immer kleiner werdenden Probe- und Reagenzienmengen aber auch höheren Durchsätzen.

Das Lab-on-a-Chip Konzept eröffnet u.a. der Medizin neue Möglichkeiten: Da unsere miniaturisierten Systeme ohne komplexe, manuelle Arbeitsschritte betrieben werden, können künftig aufwendige Bluttests direkt vom Hausarzt oder auch vom Patienten selbst durchgeführt werden. Infektionen wie Hepatitis oder die Risikoindikatoren für Herz-, Leber- und Nierenkrankheiten werden schneller und günstiger erkannt und entsprechend früher behandelt. Möglich sind klassische Analysen wie Glukose-, Alkohol-, oder Hämatokritmessungen aber auch biologisch komplexe Nachweise von gegen Antibiotika resistenten Bakterien oder von Viren, durch Immunoassays (Antikörper basierte Tests) oder über die DNA-Analyse mittels Real-Time PCR.

Das Lab-on-a-Chip Konzept bietet auch Lösungen für Analysen in der Gen-, Labor-, und Umwelttechnik. Darüber hinaus kann es die Entwicklung biochemischer Substanzen unterstützen. Reaktionen in den Dimensionen, die die Mikrofluidik ermöglicht, verbrauchen weniger teure Reagenzien und sind schneller als Reaktionen in makroskopischen Gefäßen. Zudem können sehr viele verschiedene Analysen auf einer Disk zeitgleich durchgeführt werden. Das führt zu einer Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Methoden. So entstehen für Anwender auch wirtschaftliche Vorteile.

Den Life Science Branchen bietet das HSG-IMIT an konkrete Anwendungen, Prototypen und Vorserien sowie komplette Geräte zu entwickeln. Für die besonders schnelle Miniaturisierung wurde dieses Jahr extra der Lab-on-a-Chip Foundry Service des HSG-IMIT gründet. Durch einen systematischen Entwicklungsansatz will der Lab-on-a-Chip Foundry Service in Zukunft ganze Assays in kürzester Zeit als zentrifugales Lab-on-a-Chip System realisieren.

Die entwickelten Systeme, einzelne Kartuschen oder komplette BioDisks sind kompatibel mit Konzepten der kostengünstigen Massenfertigung. Eine entscheidende Neuerung stellt dafür die Fertigung der Systeme in Folientechnik dar. So ähneln die neuesten Mikrofluidiksysteme einer Blisterverpackung für Tabletten. Für diese Systeme wird noch weniger Material verbraucht ohne daß die Funktion dadurch negativ beeinflusst wird.