Mikrofluidik – Diagnostikfabrik im Taschenformat

Universität Freiburg: Präzise Stoffwechsel-Überwachung von 3D-Tumorgewebe außerhalb des Körpers [1]

Abb. 1: Organ-on-Chip-Systeme mit patienteneigenen Zellen könnten personalisierte Therapien ermöglichenEin Forschungsteam um Dr. Andreas Weltin, Dr. Jochen Kieninger und Johannes Dornhof vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) an der Universität Freiburg hat ein System entwickelt, das es unter anderem ermöglicht, die Entwicklung von Tumorzellen außerhalb des menschlichen Körpers im dreidimensionalen Verbund zu untersuchen. Das Team hat ein Organ-on-Chip-System realisiert, das via Mikrosensoren die Kulturbedingungen und Stoffwechselraten der Zellen jederzeit messen und steuern kann. In 3D-Zellkulturen war das bisher nur unzureichend möglich. Das System entstand in Zusammenarbeit mit der Molekularen Gynäkologie in der Klinik für Gynäkologie und Geburtshilfe am Universitätsklinikum RWTH Aachen. In Zukunft könnten patienteneigene Zellen in Organ-on-Chip-Systemen eine personalisierte Krebstherapie ermöglichen (Siehe Abb. 1) [2].

Bei Organ-on-Chip-Systemen werden dreidimensionale Gewebemodelle durch einen künstlichen Kreislauf so miteinander verbunden, dass sie auf einem Mikrochip agieren wie Organe im Miniaturformat. So können physiologische Prozesse – beispielsweise das Heranwachsen eines Tumors – außerhalb des menschlichen Körpers nachgebildet und beobachtet werden. Die Forschungsgruppe entwarf ein Chipdesign mit integrierter Mikrosensorik und Mikrofluidik, welches die Metaboliten der Zellen direkt vor Ort messen kann. In ihrem System ließ das Team Brustkrebs-Minitumore aus einzelnen Stammzellen heranwachsen und überwachte mithilfe der elektrochemischen Sensoren den Sauerstoff- und Glucoseverbrauch sowie die Lactatproduktion der Zellen über eine Woche hinweg.

Die Plattform ermöglicht die dynamische 3D-Kultur von Tumororganoiden, während bislang oft statische 2D-Kulturen verwendet werden, welche die komplexe Mikroumgebung eines Tumors nur begrenzt abbilden können. Darüber hinaus kann mithilfe des Chip-Systems auch die Wirkung von Medikamenten auf den Zellstoffwechsel überprüft werden – beispielsweise konnte die zelluläre Wirkung von Chemotherapeutika im Rahmen der Krebsforschung quantitativ und in Echtzeit erfasst werden.

Die Verwendung patienteneigener Stammzellen ermöglicht dabei eine Nachbildung eines Originaltumors außerhalb des Körpers. Dies könnte neue Chancen einer personalisierten Therapie bieten, beispielsweise mit Blick auf eine mögliche Resistenz gegen bestimmte Chemotherapeutika, die bei aggressivem triple-negativem Brustkrebs entscheidend ist. In Zukunft soll es möglich sein, Medikamente für einen Patienten zunächst in Organ-on-a-Chip-Systemen auf Effektivität und Nebenwirkungen zu testen.

Die Ergebnisse unterstreichen das Potential der Integration von Mikrosensorik in Organ-on-Chip-Systeme in der Krebsforschung und Wirkstoffentwicklung.

Fraunhofer IWS: Mit Lab-on-chip-Systemen schnell vom Prototyp zur Serienfertigung [3]

Weltweit ist er täglich millionenfach im Einsatz: Als portables Labor im Miniformat zeigt der Corona-Antigen-Schnelltest aktuell deutlich, welches Potenzial in Lab-on-chip-Systemen steckt. Die Analyse binnen weniger Minuten, die er ermöglicht, ist gerade in der Pandemie von immenser Bedeutung. Immer mehr solcher medizinischer Kleinstsysteme kommen in der Diagnostik zum Einsatz. Bei komplizierteren Testsystemen sind Entwicklung und Herstellung jedoch mit hohen Kosten verbunden. Im Forschungsprojekt SIMPLE-IVD entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahl- technik IWS zusammen mit mehreren Partnern neue Fertigungsverfahren und Methoden für die kosteneffiziente Produktion von Schnelltest-Kartuschen.

Abb. 2: Im Projekt SIMPLE-IVD werden Designregeln entwickelt und getestet, mit denen es möglich ist, In-Vitro-Diagnostik-Kartuschen funktional gleichwertig über verschiedene Herstellungsverfahren zu produzierenLab-on-Chip-Systeme sind nur wenige Zentimeter klein, vereinen aber auf dieser geringen Fläche diverse Funktionalitäten, wie sie in der Vergangenheit nur gut ausgestattete Labore erlaubten. Gerade in der personalisierten Medizin werden sie in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Geringste Mengen an Flüssigkeiten aus Patientenproben lassen sich vollkommen auto- matisch analysieren. Die einfache Handhabung ermöglicht künftig zudem eine patientennahe Labordiagnostik. Zwar wurden in den vergangenen Jahren in der ganzen Welt verschiedene Lab-on-chip-Systeme entwickelt. Davon kam jedoch nur ein kleiner Teil auf den Markt. Die Hürde ist die Skalierung der im Labormaßstab entwickelten Tests für die Massenproduktion. Das Fraunhofer IWS entwickelte eine Lösung für diese Probleme bei der Industrialisierung.

Im Mittelpunkt des Projekts „Skalierbare Mikrofertigung polymerer In-Vitro-Diagnostik-Systeme“ (SIMPLE-IVD) stehen die In-Vitro-Diagnostik-Kartuschen (IVD-Kartuschen) für die Schnelltests (Abb. 2). Für den Weg von der Kleinserie hin zu großen Stückzahlen fehlen aktuell noch prototypische Produktionsprozesse. Bei der Herstellung im Labor kommen u. a. Verfahren der additiven Fertigung oder die Multilagenlamination zum Einsatz, also der Aufbau in Schichten aus Polymerfolien, die für die Serienfertigung in Spritzguss oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren umgesetzt werden würden. Bisher mussten Hersteller für die Skalierung in ein anderes Verfahren noch einmal ganz von vorn beginnen.

Mit Hilfe der am IWS entwickelten speziellen, neu entwickelten Designregeln können Produzenten bereits in der Planungsphase für die IVD-Kartuschen Anforderungen für verschiedenste Herstellungsverfahren sowohl der Prototypenentwicklung als auch für Klein- und Großserien in ihre Konstruktion einbeziehen. Für mehrere klassische Herstellungstechnologien sind die Designregeln bereits entwickelt. Dazu gehören neben Spritz- und Vakuumguss auch die Multilagenlamination, das Tiefziehen sowie mehrere additive Verfahren. Dabei lassen sich schnellstmöglich auch gezielte anwendungsbezogene Lösungen entwickeln. Auch eine Rücktranslation von Groß- in Kleinserien wäre praktisch möglich. Interessant seien die Designsets nicht nur für die Hersteller von IVD-Kartuschen, heißt es. Es gibt aktuell zahlreiche Biotechnologie- Start-ups, die genau solche Möglichkeiten brauchen.

Großer Vorteil der innovativen Methode: Prototypen und Kleinserien können schneller als bisher in industrielle Lösungen umgesetzt werden. Lab-on-chip-Systeme erreichen somit schneller Marktreife und stehen Anwendern zügiger zur Verfügung. Entwicklungszeiten werden mit der neuen Methode nahezu halbiert.

Bis zum Projektende im Jahr 2022 sollen die Ergebnisse in einen universellen Datensatz übersetzt werden. Das Verfahren soll es ermöglichen, funktional gleichwertige IVD-Kartuschen herstellen. Ziel ist es, mit unterschiedlichen Methoden die gleiche hohe Qualität der Endprodukte zu erreichen, die in der Anwendung identische Ergebnisse ermöglichen. Maßgeschneiderte IVD-Tests ermöglichen im Gesundheitswesen ein individuelles und permanentes Screening von Erkrankungen. Auch der Einsatz für diagnostische Home-Care-Anwendungen in der häuslichen Pflege oder in Pflegeeinrichtungen wäre denkbar.

TU Dresden: Mikrofluidik für schnelle und günstige PCR Tests [4]

Abb. 3: An der TU Dresden werden neuartige auf Mikrofluidik basierende PCR Schnelltestsysteme entwickeltNoch in diesem Jahr einen PCR-Schnelltest für Covid-19 und andere Erreger zu entwickeln – das ist das Ziel einer neuen Nachwuchsforschungsgruppe an der TU Dresden. Der neuartige Test soll die Vorteile der Antigen-Schnelltests, schnelle Testergebnisse, mit den Vorteilen der PCR-Tests, hohe Genauigkeit, kombinieren. Solche deutlich effizienteren Tests werden die flächendeckende Diagnose künftiger Wellen und Pandemien ermöglichen.

Die flächendeckende Diagnose von SARS- CoV-2-Infektionen erwies sich in der aktuellen Pandemie als eine der wichtigsten und effektivsten Maßnahmen. Mit ihr kann man schnell Infektionsherde erkennen, Infektionsketten aufklären, eine präzise Prädiktion des regionalen und deutschlandweiten Infektionsgeschehens durchführen und die Infektionsdynamik nachhaltig verringern. Die mit Abstand meisten Testungen werden mit Antigen-Schnelltests durchgeführt. Diese sind aufgrund ihrer einfachen Testprozedur und ausreichenden Verfügbarkeit jederzeit durchführbar, besitzen aber nur eine geringe Zuverlässigkeit (40–50 % der Tests sind falschnegativ oder -positiv).

PCR-Tests erlauben eine deutlich zuverlässigere Diagnose, höhere Sensitivität und ermöglichen den Nachweis neuer Mutationen. Aber sie können bei weitem nicht so zahlreich wie die einfachen Antigen- Schnelltests durchgeführt werden. Sie erfordern einen deutlichen höheren Testaufwand, Fachpersonal und teure Analyseautomaten und Spezialchemikalien, welche die Testmöglichkeiten beschränken und aktuell zu kritischen Test-Engpässen führen.

Die PCR-Schnelltests (Abbi. 3) sollen eine neue Generation von Tests darstellen, welche die Einfachheit und gute Verfügbarkeit von Schnelltests mit der PCR-typischen hohen Sensitivität und Zuverlässigkeit verbinden. Die neu zu entwickelnden Tests sollen in weniger als 20 Minuten sehr zuverlässige Ergebnisse liefern und um 90 % weniger Nachweischemikalien pro Test im Vergleich zu PCR-Tests benötigen.

Das Projekt „Next Generation: Schnelltests für die ressourcenschonende und hochsensitive Diagnose viraler und bakterieller Infektionen mit Multiplex-LAMP–CoV Guard“ wird durch den Europäischen Sozialfonds als Teil der Reaktion der EU auf die Covid-19 Pandemie finanziert. An der Forschung sind das Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, das Institut für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin sowie das Institut für Medizinische Mikrobiologie und Virologie der TU Dresden beteiligt.

Fraunhofer IWS Projektkoordinator Florian Schmieder überprüft den Prototyp einer komplexen In-Vitro-Diagnostik-Kartusche zur Blutseparation. Das Fraunhofer IWS entwickelt im Projekt SIMPLE-IVD neue Methoden zur kosteneffizienten Produktion solcher Kartuschen (Foto: Fraunhofer IWS)

Literatur

[1] Quelle: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

[2] Dornhof, J.; Kieninger, J.; Muralidharan, H.; Maurer, J.; Urban, G.A.; Weltin, A.: Microfluidic organ-on-chip system for multi-analyte monitoring of metabolites in 3D cell cultures, In: Lab on a Chip, 22 (2) 2022, DOI: 10.1039/d1lc00689d (kostenloser Download ohne Anmeldung)

[3] Quelle: Fraunhofer IWS Dresden

[4] Quelle TU Dresden