ivD-Plattform: Einsatz als POCT-Device im Krankenhaus

  • Dr. Soeren Schumacher, Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam (Foto: Fraunhofer).Dr. Soeren Schumacher, Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam (Foto: Fraunhofer).
  • Dr. Soeren Schumacher, Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam (Foto: Fraunhofer).
  • Dr. Eva Ehrentreich-Förster, Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam (Foto: Fraunhofer).
  • Prof. Dr. Frank F. Bier, Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Potsdam (Foto: Fraunhofer).
  • Abb. 1: Fraunhofer ivD-Kartusche mit integrierten Pumpen, Reservoiren und Sensoren (Foto: Fraunhofer).
  • Abb. 2: Diagnosesystem am Point-of-Care: Nach Auftragen der Probe in die Kartusche wird der Nachweis am Ort der Probenentnahme innerhalb kurzer Zeit durchgeführt. Der Arzt kann direkt eine Therapie ableiten und kontrollieren (Abb.: Fraunhofer).

Die ivD-Plattform ist eine Technologieplattform, die es ermöglicht, bis zu 500 verschiedene Parameter am Ort der Probenentnahme in kürzester Zeit zu analysieren.

Proben zeitnah und am Ort der Probenentnahme zu analysieren ist in den letzten Jahren ein Schwerpunkt technologieorientierter bioanalytischer Forschung. Dabei ist zum einen der bioanalytische Nachweis Gegenstand der Forschung, da durch neuartige Erkennungs- und Signalstrukturen eine zeitnahe und robuste Analyse möglich ist.

Zum anderen ist jedoch hiermit auch die technologische Forschung durch Konvergenz von Mikrosystemtechnik, Diagnostik und Informationstechnologien gemeint, um zu miniaturisierten Systemen zu gelangen, die am Point-of-Need (PON) Analysen durchführen können. Während die Entwicklung neuer Erkennungsstrukturen einen hohen Forschungsaufwand bedarf, ist die Konvergenz von Technologien in den letzten Jahren besonders unter dem Stichwort des Lab-on-a-Chip ein wichtiges Forschungsfeld geworden.

Gerade im Bereich Point-of-Care-Testing (POCT) zeigt sich zusätzlich, dass neben der Messung von Glucose auch Analysen durchgeführt werden sollen, die eine höhere Komplexität aufweisen. Dabei ist oft eine schnelle Analyse von einer Vielzahl von verschiedenen Parametern wie etwa Proteinen, DNA oder kleineren Molekülen wie etwa Hormonen und deren Quantifizierung gewünscht. Dies zeigt sich beispielsweise beim serologischen Nachweis eines Herzinfarktes, bei dem nach diagnostischer Forschung verschiedene Biomarker genutzt werden, um den Herzinfarkt zu bestätigen. Ein weiteres Beispiel ist der serologische Nachweis von Entzündungsparametern zur Überwachung eines Sepsispatienten. Somit ist vor allem im Notfall- und intensivmedizinischen Bereich die schnelle Analyse von besonderer Wichtigkeit, da etwa bedingt durch die Kranken¬hausstruktur eine schnelle Analyse von Parametern nicht gegeben ist.

Obwohl dies einen Bedarf an solchen Systemen generiert, zeigt sich, dass es nur sehr wenige Systeme auf dem Markt gibt, die die parallele Analyse von Biomarkern am POC ermöglichen. Die Markteintrittsbarrieren sind dabei vielfältig, wobei oftmals ein Problem darin besteht, einen technologischen Forschungsansatz so zu übertragen, dass dabei ein System entwickelt wird, was in Serie kostengünstig produziert werden kann.

Dies ist zum einen auf die Werkstoffe des Systems bezogen, zum anderen jedoch auch auf den diagnostischen Nachweis, der einfach und robust ohne große Adaptionsschritte vollzogen werden sollte.

Die Umgehung dieser Markteintrittsbarrieren zum Ziel setzend, wurde innerhalb eines Konsortiums von sieben Fraunhofer-Instituten im Rahmen der Fraunhofer ivD-Plattform ein Lab-on-Chip-System entwickelt, was die parallele Analyse von verschiedenen Parametern am POC realisieren kann. Dabei wurden neben der Einfachheit des diagnostischen Nachweises sowohl die Möglichkeit zur Serienproduktion als auch ein Höchstmaß an Integration aller Komponenten als Entwicklungsziele formuliert. Um einen Einsatz als POCT-Device zu ermöglichen, sollte dieses System weiterhin benutzerfreundlich und robust zu bedienen sein.

Modularer Aufbau

Die Fraunhofer ivD-Plattform besteht aus zwei Einheiten - einer Einwegkartusche und einer Basisstation. Das Kernstück ist eine Einwegkartusche, die sich durch einen hohen Grad an Integration und Modularität auszeichnet. Die Kartusche selbst ist produktionsfreundlich aus einem Spritzgussteil und einer Platine zusammengefügt. Besonderheit an diesem System ist die Integration verschiedener Funktionalitäten, wie etwa Pumpen und Heizer on-chip. Dies bedeutet, dass lediglich durch Anlegen einer Spannung eine Probe, wie etwa eine Blutprobe aus der Fingerbeere, über ein Sensorfeld gepumpt wird. Auf dem Sensorfeld sind Bindemoleküle immobilisiert, die die Zielstoffe aus dem Blut binden können. Dabei sind die Bindemoleküle meist Antikörper, Antigene oder DNA.

Anschließend an die Bindungsreaktion können verschiedene andere Schritte, so etwa Wasch- und Markierungsschritte, durchgeführt werden, da auf der Kartusche sich neben den Pumpen auch Reservoire für verschiedene Waschpuffer und Reagenzien befinden. Nach erfolgter Bindung eines Zielmoleküls an das Bindemolekül und einer bestimmten Reihenfolge an Wasch- und Prozessschritten kann die Menge des gebundenen Zielmoleküls sichtbar gemacht werden.

Durch den modularen Aufbau kann anwendungsorientiert entweder eine optische oder eine elektrochemische Auslese stattfinden. Vorteile der optischen Auslese ist, dass durch Mikroarraytechnologie bis zu 500 verschiedene Parameter parallel gemessen und detektiert werden können. Vorteil der elektrochemischen Auslese, bei der bis zu 16 Parameter möglich sind, ist die Erhöhung der Sensitivität durch Messzeiterhöhung. Durch Einlegen der Kartusche in eine Basisstation wird über einen Barcode der Patient identifiziert und ein diagnostischer Test vollautomatisch prozessiert. Zuletzt werden die Ergebnisse benutzerfreundlich auf einem Display dargestellt und nach erfolgter Einbindung in ein Krankenhausmanagementsystem gespeichert.

Die Übertragung von etablierten Assays auf das System konnte schon an einigen Beispielen gezeigt werden. Der große Vorteil hier war, dass Assayzeiten drastisch verkürzt werden können und so ein Einsatz als POCT-Device etwa auf Intensivstationen oder in OP-Sälen möglich ist. Als Anwendungsbeispiel wird hier etwa ein Multiparameterpanel vorgestellt, dass serologisch den Stand einer Infektion nachweist, um so etwa bei einer Sepsis die Wirkung eines Antibiotikums schnell, nah am Patienten durchzuführen.

Die Fraunhofer ivD-Plattform stellt somit ein System zur Verfügung, was in bestimmten Anwendungsgebieten auch für die POCT-Anwendung in Krankenhäusern genutzt werden kann, da es die parallele Analyse von verschiedenen Parametern und deren Quantifizierung ermöglicht. Dies ermöglicht dem Arzt, direkt Therapien einzuleiten, zu verändern und so Liegezeiten zu reduzieren.

Das Projekt „Fraunhofer ivD-Plattform" ist gefördert im Rahmen der internen Programme der FhG, Fördernummer WISA 819 638. Die beteiligten Partnerinstitute sind: Fraunhofer ENAS, IAP, IBMT, IGB, IPA, IPM und ISIT.

 

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