Point of Care Testing: Biomarkeranalyse mit SmartHEALTH

  • Eine vom SmartHealth-Projektpartner MiniFAB hergestellte Einwegkartusche, in welche der vom Fraunhofer IBMT gekapselte Biochip integriert ist (Foto: Fraunhofer IBMT).Eine vom SmartHealth-Projektpartner MiniFAB hergestellte Einwegkartusche, in welche der vom Fraunhofer IBMT gekapselte Biochip integriert ist (Foto: Fraunhofer IBMT).

Zwar hat Krebs seinen Schrecken noch immer nicht verloren, trotzdem sind die Heilungschancen bei vielen Krebsarten recht gut, wenn die Erkrankung rechtzeitig erkannt und behandelt wird. Die Diagnose einer Krebserkrankung erfolgt in zunehmendem Maße mithilfe von Krebsmarkern, welche in Körperflüssigkeiten oder Gewebeproben nachgewiesen werden.

Idealerweise soll eine solche Diagnose mittels kostengünstiger, kleiner und portabler Analysegeräte durchgeführt werden können und das Ergebnis innerhalb weniger Minuten vorliegen. Für solche einfach durchführbaren Schnelltests hat sich der Begriff „Point of Care Testing (POCT)" eingebürgert.

Im Rahmen eines Verbundprojekts der Europäischen Union zum Point of Care Testing (POCT) „SmartHealth", koordiniert von Prof. Calum McNeil, Universität Newcastle upon Tyne, war das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) im saarländischen St. Ingbert neben anderen Partnern an der Entwicklung und Systemintegration des zentralen Biosensors (CDR-Biochip = Circular Disk Resonator) beteiligt.

Ein Lösungsansatz für die im Projekt eingesetzten POCT-Geräte sah vor, die Schritte der Probenaufbereitung und Messung in einer Flüssigkeitskartusche zu implementieren. Die Kartusche ist ein Einwegartikel und wird zur Durchführung einer Diagnose in ein POCT-Analysegerät eingeführt, welches alle auf der Kartusche ablaufenden Schritte steuert und letztlich das Untersuchungsergebnis auf einem Display darstellt. Das Herzstück der Analysekartusche ist ein Biochip.

Das Projekt „SmartHealth" fokussiert auf die drei Krebsarten: Brust-, Gebärmutterhals- und Darmkrebs sowie auf Proteine, DNA und mRNA als Biomarker. Für die Markerdetektion stehen innerhalb des Projekts drei verschiedene Biochips zur Verfügung. Die höchste Sensitivität wird von einem von der Universität Newcastle entwickelten Resonator-Biosensor (CDR-Sensor = Circular Disk Resonator-Biosensor) erwartet. Zum elektrischen Anregen der resonanten Schwingung und dem Auslesen des Sensorsignals verfügt der Chip über 20 Bondpads, welche im Randbereich des Chips angeordnet sind und elektrisch kontaktiert werden müssen.

Obwohl Techniken zur elektrischen Chipkontaktierung aus der Mikroelektronik hinreichend bekannt und ausgereift sind, stellt die Aufbau- und Verbindungstechnik, wie sie für einen Biochip benötigt wird, ganz besondere Anforderungen an die verwendbaren Materialien und Prozesse.

Ein grundlegender Unterschied zu reinen Mi¬kroelektronikchips liegt darin, dass bei Biochips ein Materialtransfer nötig ist, d. h., die zu detektierenden Krebsmarker müssen zur Membran des CDR-Sensors gelangen und mit den auf der Membran immobilisierten Fängermolekülen eine Bindung eingehen. Im Falle des CDR-Sensors befinden sich sowohl die sensitive Siliziummembran als auch die Bondpads auf der Chipoberseite. Der geringe Abstand zwischen der Membran und den Bondpads (weniger als 700 µm) macht die elektrische Kontaktierung der Bondpads sowie deren Kapselung, bei gleichzeitigem Aussparen des Membranbereichs, zu einer besonderen Herausforderung.

Das Fraunhofer IBMT zeichnet im Rahmen des Projekts verantwortlich für die Kapselung des CDR-Biochips sowie dessen Integration in das Analysegerät. Dabei sind der Biochip sowie gegebenenfalls eine Vorverstärkerelektronik in eine Einwegkartusche zu integrieren. Elektrische und fluidische Bereiche des Biochips müssen auf engstem Raum zuverlässig voneinander getrennt werden. Die Kartusche muss sowohl eine elektrische als auch eine fluidische Schnittstelle zum Analysegerät zur Verfügung stellen.

Kapselung des Biochips

Die Integration des Biochips in die Kartusche wird mit einem an die Chip-on-Board-Technik angelehnten Verfahren realisiert. Um eine mechanisch robuste elektrische Verbindung zu erhalten, welche zudem extrem flach ist, verwendet das Fraunhofer IBMT für die elektrische Kontaktierung nicht das Drahtbondverfahren, sondern das eigens am Institut entwickelte und patentierte „MicroFlex"-Verfahren. Dabei kommen keine Bonddrähte, sondern in zweilagige Polyimidfolien integrierte Dünnfilmleiterbahnen zum Einsatz. Die gesamte Folie hat eine Dicke von nur 10 µm. Die Enden der Leiterbahnen sind offen und können mit einem handelsüblichen Ball-Wedge-Bonder mit den Bondpads des Biochips sowie den Pads einer Elektronikplatine verbunden werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Chip-on-Board-Technik werden die Chips in Vertiefungen in der Elektronikplatine geklebt, sodass die Chipoberfläche mit der Platinenoberfläche eben abschließt. Durchkontaktierungen in der Platine führen die elek-trischen Kontakte zur Platinenrückseite. Anstatt eines üblichen Glob-Tops wird die gesamte Platinenoberseite inklusive Biochipoberfläche mit einer 0,5 mm dicken Epoxidschicht vergossen, welche alle elektrischen Bereiche vor der Probenflüssigkeit schützt. Lediglich der Membranbereich des Biochips ist von der Vergussschicht ausgespart.

Schnittstellenrealisierung

Die Realisierung der fluidischen Schnittstelle zwischen Biochip und Kartusche wurde komfortabel gelöst. Unter Verwendung eines geeigneten doppelseitigen Klebebands wird die oben beschriebene beschichtete Platine gegen die Kartusche geklebt. Dabei besteht ungehinderter fluidischer Kontakt zwischen der auf der Kartusche angeordneten Reaktionskammer und der Biochipmembran, während die elektrischen Bereiche der Platine und des Biochips durch den Verguss vor der Probenflüssigkeit geschützt sind. Den Klebeprozess führte Projektpartner MiniFAB Ltd. (Australien) durch, der auch die Einwegkartusche hergestellt hatte.

Die Realisierung der elektrischen Schnittstelle trägt der Anforderung Rechnung, dass die Kartusche ein Einwegartikel ist, welcher nur für eine einzige Analyse verwendet wird. Eine permanente elektrische Verbindung zwischen Kartusche und Analysegerät, wie beispielsweise eine Lötverbindung, scheidet daher aus. Ungeeignet sind auch Verbindungsmethoden, welche teurere Komponenten auf der Kartusche voraussetzen, wie beispielsweise elektrische Stecker. Die Methode der Wahl sind Federkontaktstifte, die sich im Analysegerät befinden. Nach dem Einschieben in das Analysegerät ist die Kartusche stets so positioniert, dass die Federkontaktstifte mit den Anschlusspads auf der Rückseite der Biochipplatine in Kontakt sind. Auf diese Art und Weise können alle 48 elektrischen Kontakte zwischen Biochip und Analysegerät realisiert werden. Die Federkontaktstifte sind dabei in zwei Reihen angeordnet, mit einem Pitch von 0,8 mm.

Geräteintelligenz und Kommunikation

Die SmartHEALTH-Systemplattform ermöglicht die gleichzeitige Messung und Auswertung von mehreren Analyten auf einem Gerät auf der Basis von Nukleinsäuren und Proteinen am Point-of-Care und kann verschiedene biologische Probentypen verarbeiten. Die Ergebnisse werden mithilfe von biostatistischen Verfahren wie Bayes'schen Netze, Neuronalen Netze und „Support Vector Machines" interpretiert. Die intelligenten Geräte identifizieren ihre Anwender und den Patienten wahlweise über integrierte Fingerprint-Leser, Gesundheitskarten wie die eGK oder durch Kennworteingabe. Sie unterstützen unterschiedlichste Point-of-Care-Szenarien in der Primärversorgung und zu Hause und können mit Barcode und RFID-Etiketten umgehen. Sie kommunizieren auf medizinischen Standards basierend drahtlos mit Patientenakten des jeweiligen Labor-, Krankenhaus- und Online-Informationssystems unter Wahrung des Datenschutzes.

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