Lab-on-a-Chip: Megaanalysen in Mikroräumen

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Ein Lab-on-a-Chip (LoC) – ein Labor auf einem Chip – ist ein mikrofluidisches Analysesystem, das verschiedene labordiagnostische Verfahren auf einem einzigen, etwa bankkartengroßen Bauelement unterbringt. Ein LoC-System – es wird auch Micro Total Analysis Systems (μTAS) oder Biological Micro-electroMechanical Systems (BioMEMS) genannt – kombiniert Mikroelektronik und Mikrofluidik.

Kapillarkräfte transportieren die zu untersuchenden Proben in Mikrokanälen von einer Reaktions- oder Analysekammer zur nächsten. Der Durchmesser dieser Kanäle kann bis zu 50 Mikrometer – das sind 0,05 Millimeter – klein sein. In dem kleinen Chiplabor finden umfangreiche biologische, chemische und physikalische Prozesse statt. Integrierte Sensoren erlauben die präzise Überwachung zahlreicher Parameter. So lassen sich biologische Wechselwirkungen bis auf Zellniveau und Molekularebene beobachten.

Der weltweite Markt für Lab-on-a-Chip-Systeme soll jährlich um etwa 11 Prozent wachsen und 2022 ein Volumen von rund 7,95 Milliarden US-Dollar erreicht haben, prognostiziert das Marktforschungsunternehmen Stratistics MRC. Den größten Marktanteil hat Nordamerika aufgrund der zunehmenden Bevölkerungsalterung. Am schnellsten wächst der LoC-Markt im asiatisch-pazifischen Raum – insbesondere in China und Indien – sowie in Europa.

Schneller, besser, kostengünstiger

Im Vergleich zu klassischen Laboren ist die Analysedauer bei den Miniaturlaboren deutlich kürzer und es besteht die Möglichkeit, Hunderte von Tests parallel ablaufen zu lassen. Chiplabore sind kompakter, portabler und stromsparender als herkömmliche Analysegeräte und lassen sich per 3D-Druckverfahren kostengünstig in Masse produzieren.

Für die vollautomatisierte Analyse reichen bereits kleinste Probevolumen, zum Beispiel Tropfen von Blut, Speichel oder Schweiß. Auch der Reagenzienverbrauch ist minimal. Der Patient profitiert von einer schnellen und präzisen Diagnose vor Ort und erhält eine zielgenaue Therapie. Die Behandlungskosten sinken.

Mikroanalysesysteme haben das Potenzial, diagnostische Prozesse zu verändern. Ein breiter Einsatz könnte eine Leistungsverlagerung im Gesundheitssystem bewirken: Untersuchungen, die bislang in Laboren oder Facharztpraxen durchgeführt wurden, werden sich künftig möglicherweise beim Hausarzt oder in Selbstanwendung vornehmen lassen.

Großes Potenzial beim Point-of-Care-Testing

Das Anwendungsspektrum der Miniaturlabore reicht von der Medizintechnik über Biotechnologie, Chemie und Zellbiologie bis hin zur Pharmaindustrie. Zunehmend relevant werden LoCs in der individualisierten Medizin, der patientennahen Labordiagnostik (Point-of-Care-Testing, POCT) und der In-Vitro-Diagnostik. Ärzte verwenden LoC-Tests bei der Vor-Ort-Diagnose, zum Beispiel in Form von Blutschnelltests für die Rheumadiagnostik oder Biomarker-Notfallteststreifen bei Herzinfarkten.

Im klinischen Bereich haben LoC-Anwendungen Potenzial in der Infektionsdiagnostik – etwa bei bakteriellen oder viralen Infektionen. Einige LoCs kann der medizinische Laie selbst anwenden (Direct-to-Consumer, DTC), etwa in der personalisierten Arzneimitteltherapie. In Deutschland gibt es rund 20 Medikamente, die einen Begleittest vorschreiben. Genetische Selbsttests und HIV-Selbsttests sind hierzulande hingegen verboten.

Spannend sind die Minilabore auch für die Medikamentenentwicklung, bei der es auf hochgradige Parallelisierung ankommt, sowie für die Biotechnologie, beispielsweise in der Biotransformation von Molekülen mit Enzymen, Bakterien oder Zellkulturen zu Antibiotika, Insulin oder Steroiden. Potenzial wird LoC-Systemen zudem in der globalen Gesundheitsversorgung zugeschrieben. Zu solchen Public-Health-Anwendungen gehören Tests für multiresistente Tuberkuloseerreger und Selbsttests bei Pandemien wie Influenza.

Personalisierte Chemotherapie gegen Krebs

Herkömmliche Chemotherapie schlägt bei Krebs oft nicht an, denn die Tumorzellen des Menschen reagieren auf Medikamente sehr unterschiedlich. Bernhard Wolf, Leiter des Steinbeis-Transferzentrums Medizinische Elektronik und Lab on Chip-Systeme, entwickelte ein Testverfahren, das einen auf die individuelle Person zugeschnittenen Medikamentenmix und die optimale Dosierung ermitteln soll.

Das Lab-on-a-Chip besteht aus einer Mikrotiterplatte mit 24 Reaktionskammern, in denen sich jeweils ein multiparametrischer Sensor befindet. Direkt auf diese Sensoren werden Tumorgewebeproben eines Patienten kultiviert. Im Intelligent Microplate Reader (IMR) füllt ein Pipettierroboter Therapeutika in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Konzentrationen in die 24 Reaktionskammern. Die Sensoren erfassen dann Veränderungen der Sauerstoffkonzentration, des pH-Werts und der elektrischen Leitfähigkeit.

Die integrierte Fluidik bietet dabei nahezu Invivo-Bedingungen. „Das Besondere an dem System“, erklärt Wolf, „ist, dass es metabolische Muster testet.“ Wenn der Sauerstoffverbrauch der Tumorzellen beim Kontakt mit einem Wirkstoff abnimmt, sie also ihren Stoffwechsel einstellen, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass das Medikament beim Patienten wirksam ist. In einer klinischen Studie soll überprüft werden, ob das Testsystem das Therapieansprechen beim einzelnen Patienten tatsächlich korrekt vorhersagen kann. Das System könnte künftig generell für Medikamententests verwendet werden und dabei Tierversuche ersetzen.

Medikamentenentwicklung mit Multi-Organ-Chips

Neue Medikamente sind weltweit gefragt. Klinische Studien sind jedoch langwierig und teuer. Deshalb werden neue Wirkstoffe zuvor mit Tierversuchen getestet, die nicht ohne Weiteres auf den Menschen übertragbar und ethisch umstritten sind. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat daher ein Organ-on-a-Chip-System mit naturgetreu nachgebildeten Blutgefäßen entwickelt. Der KIT-Ableger vasQlab hat das Chiplabor weiterentwickelt.

Per 3D-Drucker werden dreidimensionale Miniorgane aus menschlichen Zellen auf den vasQchip aufgebracht. Die zu testenden Wirkstoffe werden über künstliche Blutbahnen in die Miniorgane geleitet. Eine Minipumpe simuliert das Herz. Wirkung und Verträglichkeit eines Wirkstoffs lassen sich so in der präklinischen Phase ohne Tierexperimente untersuchen. Der Mini-Organ-Chip soll es ermöglichen, Tausende von Tests parallel und automatisiert durchzuführen – auf kleinstem Raum.

Derzeit entwickelt vasQlab durchblutete Haut-, Leber-, Darm- und Hirnmodelle sowie eine Kombination verschiedener miniaturisierter Organe auf einem Chip. „Wir wollen der Pharma- und Kosmetikindustrie Alternativen zu Tierversuchen bieten, die eine präzisere Vorhersagbarkeit der Wirkung auf den Menschen erlauben und kostengünstiger sind“, erklärt Vanessa Kappings vom KIT.

Schnelltests für multiresistente Keime

Multiresistente Keime stellen eine wachsende Bedrohung dar. Standardverfahren der Infektionsdiagnostik benötigen bis zu 72 Stunden bis ein Ergebnis vorliegt. Bei der Behandlung schwerer Infektionen – zum Beispiel bei einer Sepsis – ist Zeit jedoch ein entscheidender Faktor. Intensivmediziner stehen vor einem Dilemma: „Oft müssen wir mit Breitspektrumantibiotika behandeln, da wir zunächst weder den Erreger noch eventuelle Resistenzen bestimmen können. Wir schießen quasi mit Kanonen auf Spatzen“, erläutert Michael Bauer vom Universitätsklinikum Jena.

Ein neuartiger Schnelltest soll in nur dreieinhalb Stunden Auskunft geben, welches Antibiotikum wirksam sein könnte. Entwickelt wurde er am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Jenaer Universitätsklinikum und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Das Lab-on-a-Chip-System kombiniert lichtbasierte Analysemethoden mit mikrofluidischer Probenprozessierung. Damit können wir Bakterienstämme und deren Resistenzen schnell und eindeutig bestimmen“, erklärt Projektleiterin Ute Neugebauer.

Auf dem briefmarkengroßen Chip fixieren elektrische Felder die Bakterien. Die Erreger werden mit verschiedenen Antibiotika in unterschiedlichen Konzentrationen in Kontakt gebracht und mittels Raman-Spektroskopie untersucht. Die Forscher bestrahlen die Erreger mit Laserlicht und werten das gestreute Lichtspektrum aus. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, ob ein Stamm resistent oder sensibel ist und wie hoch die Konzentration des Antibiotikums sein muss. Das Verfahren könnte die Diagnostik von Infektionskrankheiten verbessern und Antibiotika-Resistenzen eindämmen.

Nanotechnologie und Energieversorgung

Noch sind erst verhältnismäßig wenige Lab-on-a-Chip-Systeme für klinische Anwendungen zugelassen. Viele Projekte befinden sich im Entwicklungsstadium. Fortschritte in der Nanotechnologie werden die Anwendungsmöglichkeiten von LoC-Systemen in Zukunft erweitern. In der Mikrosystemtechnik gehört die Energieversorgung von LoC-Einheiten zu den zentralen Forschungsthemen.

electronica 2018

Mikrosystemtechnische Diagnostik (Lab-on-a-Chip) ist Fokusthema auf der electronica Medical Electronics Conference (eMEC).  Auf der Weltleitmesse der Elektronik präsentieren rund 100 internationale Aussteller Produkte und Lösungen aus dem Bereich Mikro- und Nanosysteme.

 

 

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