Das Labor auf der Folie

Schnelle und kostengünstige Diagnosen

  • Abb. 1: Rolle-zu-Rolle-Prozessierung. Foto: Fraunhofer EMFT / Bernd MüllerAbb. 1: Rolle-zu-Rolle-Prozessierung. Foto: Fraunhofer EMFT / Bernd Müller
  • Abb. 1: Rolle-zu-Rolle-Prozessierung. Foto: Fraunhofer EMFT / Bernd Müller
  • Abb. 2: Chip mit DNA-Mikroarray. Foto: Fraunhofer EMFT
  • Abb. 3: Einweg-Kartusche für die Schmelzkurvenanalyse auf Folie mit integriertem Heizelement. Foto: Fraunhofer EMFT

Dank der Molekulargenetik können viele Krankheiten frühzeitig diagnostiziert werden. Bislang sind dazu jedoch meistens aufwändige Analysen im Labor nötig. Wissenschaftler der Fraunhofer EMFT und des KTH Royal Institute of Technology in Schweden arbeiten an kostengünstigen Mini-Laboren auf Folie, die künftig eine schnelle Vor-Ort-Diagnostik ermöglichen sollen.

Bis heute hat der Krebs seinen Schrecken nicht verloren: Immer noch sind Krebserkrankungen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache, wie das Statistische Bundesamt anlässlich des Weltkrebstages im Februar dieses Jahres mitteilte. Zwar gibt es mittlerweile eine ganze Reihe wirkungsvoller Behandlungsmöglichkeiten - doch fast immer hängen Therapieerfolg und Heilungschancen entscheidend davon ab, ob die Erkrankung bereits in einem frühen Stadium erkannt wird. Die Krankheit hinterlässt ihre Spuren im menschlichen Körper schon lange bevor die ersten Symptome auftreten. Eine Möglichkeit, diese Spuren frühzeitig zu entdecken, ist der Blick in den Mikrokosmos einer Zelle. Molekulargenetische Analysen bieten hier ein großes Potenzial, um Ärzten im Kampf gegen Krebs einen Zeitvorteil zu verschaffen: So werden etwa bestimmte Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) - Veränderungen einzelner Basenpaare in unserer DNA - mit einigen Krebserkrankungen in Verbindung gebracht. Bei anderen SNPs sehen Wissenschaftler einen Zusammenhang mit der Zivilisationskrankheit Diabetes. Nicht zuletzt im Kampf gegen gefährliche Infektionskrankheiten wie Malaria eröffnen sich durch die Molekulargenetik neue Möglichkeiten. Bislang lassen sich Viren oder Bakterien erst anhand von Antikörpern im Blut des Patienten nachweisen - also erst geraume Zeit nach der Inkubation. Sucht man dagegen direkt nach der DNA des Erregers, kann die Infektion nicht nur früher erkannt werden - auch der spezifische Erreger-Subtyp lässt sich so exakt bestimmen.

Aufwändige Analysen im Zentrallabor kosten Zeit und Geld

Um die DNA zu untersuchen, muss sie zunächst aus einer Blutprobe isoliert werden. In einem zweiten Schritt vervielfältigt man die relevanten DNA-Abschnitte mit Hilfe der Polymerasen Kettenreaktion (PCR). Für die anschließende Detektion des PCR-Produkts gibt es mehrere Möglichkeiten.

Eine gängige Methode, um SNPs in einem PCR-Produkt zu detektieren, ist die so genannte Schmelzkurvenanalyse, bei der die doppelsträngigen Segmente langsam erhitzt werden. Da der DNA-Doppelstrang mit einer Mutation instabiler ist als normale Doppelstränge, öffnet er sich bei geringeren Temperaturen und kann so identifiziert werden. Der Haken an der Sache: Bislang verfügen nur gut ausgestattete Zentrallabore über die erforderliche Infrastruktur, um solche aufwändigen Untersuchungen durchzuführen. Als Standardverfahren sind sie daher zu zeitintensiv und teuer. Um molekulargenetische Untersuchungen auch im Praxisalltag zu etablieren, müssten die Analysen deutlich einfacher und kostengünstiger werden und möglichst direkt vor Ort durchführbar sein.

Analysesystem im Streichholzschachtelformat

Wie das funktionieren könnte, zeigen Wissenschaftler des „Clinical microfluidics lab" am KTH Royal Institute of Technology in Stockholm und der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München: Sie haben für die Schmelzkurvenanalyse ein Messsystem auf Folie entwickelt, das nicht viel größer als eine Streichholzschachtel ist. Dabei ist es ihnen gelungen, neben der Mikrofluidik und Mikroarray-Technologie erstmalig auch die Heizelemente in Polymerfolien zu integrieren. Sie werden mittels Photolitografie auf eine dünne Polyethylennaphthalat-Folie (PEN-Folie) aufgebracht. Die Heizstäbe sind in einer Gitterstruktur angeordnet und sorgen für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung als die konventionellen mäanderförmigen Heizelemente. Ein weiterer Vorteil dieser Gitterstruktur: Selbst wenn eine einzelne Leiterbahn bricht, funktioniert der Heizer noch. Das Heizelement wird mit einer 2 µm dünnen Parylenschicht verkapselt. Auf dieser Schicht werden die Referenz-DNA-Stränge immobilisiert, die die vermehrfachten Komplementärstränge aus der Patientenprobe auffangen sollen. Darüber wird eine beidseitig klebende, 50 µm dünne Folie auflaminiert. Aus dieser schneiden die Forscher eine kanalförmige Struktur aus - das Mikrofluidik-Element, in das die Proben eingebracht werden. Als „Deckel" dient eine weitere PEN-Folie.

Schnelle Analyse vor Ort

Das „Labor auf Folie" eignet sich hervorragend für die serielle Produktion: Polymerfolien lassen sich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren herstellen und sind wesentlich kostengünstiger als Mikroarrays aus Glas oder Silikon. Darüber hinaus benötigt das System im Gegensatz zu stationärem Equipment keinen Stromanschluss, sondern könnte über eine 2-Volt-Batterie mit Energie versorgt werden. Diese Eigenschaften prädestinieren die Entwicklung für die Vor-Ort-Diagnostik. Dort kommen meist kleine, einfache Analysesysteme mit Einweg-Kartuschen zum Einsatz. Ärzte können damit die Untersuchungen direkt in der Praxis durchführen, anstatt die Proben ins Labor zu schicken. Das reduziert nicht nur die Kosten, sondern auch die Wartezeit auf die Ergebnisse erheblich. Darüber hinaus können solche Mini-Labore die medizinische Versorgung in abgelegenen Gebieten oder Entwicklungsländern verbessern.

Molekulargenetik gewinnt an Bedeutung

Der Bedarf an einfachen Systemen für die Vor-Ort-Diagnostik dürfte künftig vor allem vor dem Hintergrund steigen, dass die Molekulargenetik zunehmend als entscheidende Schlüsseltechnologie für medizinischen Fortschritt gilt. Wissenschaftler arbeiten weltweit daran, neue diagnostische Marker zu identifizieren, die bei der Diagnose und Therapie unterschiedlichster Erkrankungen enorme Fortschritte ermöglichen sollen. Bei Infektionskrankheiten etwa ließe sich dank solcher Erkenntnisse ein spezifischer Erreger-Subtyp viel schneller und genauer bestimmen. Dies könnte dazu beitragen, Mulitresistenzen gegen Antibiotika einzudämmen, da sich die Medikation zielgenau auf den jeweiligen Erreger abstimmen ließe. Fehldiagnosen könnten mit Hilfe von molekulargenetischen Verfahren reduziert werden - das erspart den Patienten unnötige Operationen oder Therapien und schont zudem die Gesundheitskasse. Forscher arbeiten in dem Zusammenhang beispielsweise daran, SNPs als diagnostische Marker für Prostatakrebs zu identifizieren, um bösartigen Prostatenkrebs von milderen Varianten unterscheiden zu können. Nicht zuletzt werden molekulargenetische Methoden im Zuge des Trends zur „personalisierten Medizin" an Bedeutung gewinnen. Der Ansatz verfolgt das Ziel, für den einzelnen Patienten individuell zugeschnittene Therapien zu entwickeln. Dazu benötigt man Testverfahren, die schnell und zuverlässig aufzeigen, welche Therapie bestimmten Patienten einen besonders hohen Nutzen verspricht.

„Sample-to-answer-System" als langfristiges Ziel

Den ersten „Proof of principle"- Test hat das Miniaturlabor bereits erfolgreich bestanden: Die Projektpartner analysierten dabei den Polymorphismus „Leu7Pro". Diese Veränderung im Neuropeptid Y deutet auf ein erhöhtes Risiko hin, an Diabetes Typ II oder Depressionen zu erkranken. Probenvorbereitung und DNA-Vervielfältigung wurden in der Studie noch über eine Standard PCR-Maschine abgewickelt. Auch die Ansteuerung, etwa, um die Temperaturkurve zu regeln, läuft derzeit über konventionelle Laborgeräte. Langfristig möchten die Wissenschaftler diese Schritte ebenfalls in ein portables Format integrieren und so ein „sample-to-answer"-Komplettsystem schaffen. Dieses soll dann auch für komplexere Diagnosen eingesetzt werden können, etwa für Infektionskrankheiten, bei denen mehrere DNA-Sequenzen mit Punktmutationen zusammengenommen den diagnostischen Marker bilden.

Kontakt
Anna Ohlander
Fraunhofer Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT
München, Deutschland

Autor(en)

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EMFT - Fraunhofer Institute for Molecular Solid State Technologies
Hansastr. 27d
80686 München
Germany
Telefon: +49 89 54 759 000
Telefax: +49 89 4759 100

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