POCT - vollständiger Ersatz für die traditionelle diagnostische Analytik?

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der Signal-Konzentrations-Proportionalität bei fluoreszenzbasierten Immunoassays.
  • Dipl.-Chem. Christiane Albrecht, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie (IPTC), Eberhard Karls Universität Tübingen
  • Prof. Dr. Günter Gauglitz, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie (IPTC), Eberhard Karls Universität Tübingen

In diesem Artikel werden verschiedene neue analytische Ansätze für das point-of-care testing (POCT) und damit befasste Forschungsprojekte in der Labordiagnostik vorgestellt. Noch in jüngerer Vergangenheit besaß jedes Kankenhaus ein eigenes Labor, in dem die Patientenproben untersucht wurden. Aufgrund des hohen Probenaufkommens kann dort die Probenvorbereitung standardisiert und Routineuntersuchungen wie z.B. Blutzuckerbestimmung können mit geringem Aufwand in großer Zahl kostengünstig durchgeführt werden. Auch weitere Untersuchungen der bereits aufbereiteteten Proben sind schnell und mit hoher Präzision durchzuführen.

Es stellt sich nun die Frage, warum dieses sehr gut abgestimmte System mehr und mehr verschwindet bzw. ersetzt wird. Zum einen schließen immer mehr kleinere Kliniken ihre Labors, um Kosten zu senken. Zwar ist die Diagnostik im großen Maßstab im Mittel sehr günstig, aber die Einrichtung und die Unterhaltung der Labors durch Fachpersonal nicht. Im derzeitigen Trend zu Einsparungen legen daher immer mehr Krankenhäuser ihre Laboreinrichtungen zusammen, um durch ein höheres Probenaufkommen kosteneffektiver arbeiten zu können. Die Lösung hat erhebliche Nachteile, sobald eine kurze TAT (turn-around-time) erforderlich ist, d.h. das Ergebnis der Analyse zeitnah nach der Probenentnahme vorliegen muss. In Kombination mit den ausgelagerten Großlabors haben sich daher sogenannte POCT-Geräte (point-of-care testing) [1,2] etabliert.

Point-of-Care testing

Point-of-care testing bedeutet, dass Messungen direkt am Ort des Geschehens, am Patienten, stattfinden, um entsprechend schnell Diagnosen zu stellen und die Behandlung einzuleiten. Dies ist unmittelbar von Bedeutung, wenn Ergebnisse schnell vorliegen müssen oder die Messungen wiederholt erfolgen. Anwendungen finden sich dafür im Operationssaal bzw. auf der Intensivstation, in der Ambulanz, in Arztpraxen oder beim Patienten zu Hause. Am weitesten verbreitet sind Geräte zur Patientenselbstkontrolle im „Home-care"-Bereich bei chronischen Erkrankungen wie Diabetes mellitus [3] oder Gerinnungsstörungen. Die Vorteile liegen hier auf der Hand, der Patient kann durch die Selbstkontrolle seine Unabhängigkeit bewahren und die Anzahl der Arztbesuche wird verringert.

Gleichzeitig zeigen sich hier Merkmale der POCT-Geräte, die auch in den anderen Anwendungsbereichen erfüllt sein müssen. Die Messungen sind patientennah, (semi-) quantitativ, kommen ohne Probenvorbereitung aus und können von ungeschulten Personen vorgenommen werden. Da diese Vorgabe z. B. Zentrifugationsprozesse zur Gewinnung von Serum oder Plasma ausschließt, muss entweder mit Vollblut gearbeitet werden oder es muss eine Methode zur Entfernung zellulärer Bestandteile im Gerät integriert werden.

Prinzipiell kann man verschiedene klinisch-chemische Analysesysteme unterscheiden. Bei den sogenannten trockenchemischen Systemen findet die eigentliche Nachweisreaktion durch lateralen Fluss auf einem Teststreifen statt. Zur Detektion wird im letzten Reaktionsschritt ein Farbstoff produziert, der vom Gerät optisch detektiert werden kann. Nasschemische Systeme arbeiten meist nach dem "lab-on-a disc"-Prinzip. Dabei sind alle notwendigen Reagenzien in Kompartementen der Disk gelagert, die Probe wird mittig eingebracht und durch Zentrifugalkräfte der Rotation durch die Reaktionskammern geleitet. Die Detektion erfolgt wiederum über optische Methoden. Die Blutgasanalyser sind extrem miniaturisierte ionenselektive Elektroden. (z.B. "i-STAT" von Abbott [4]). Desweiteren gibt es eine Vielzahl spezieller Geräte für den Nachweis von Einzelanalyten.

Weitere Entwicklung

Immer mehr Geräte sind auf dem Markt erhältlich, die kleiner und einfacher zu handhaben sind und Analysenergebnisse immer schneller und kostengünstiger liefern. Da diese Geräte sehr dem Zeitgeist unserer Generation entsprechen, erfreuen sie sich auch weiterhin reger Entwicklungsarbeit. Zunehmend scheinen sie sich den aus Science-fiction Filmen entliehenen Zukunftsideen anzunähern. Größere Probenmengen manuell abzunehmen und über weitere Strecken zu transportieren scheint altmodisch.

POCT-Geräte sind meistens darauf ausgelegt, einen einzelnen interessierenden, medizinischen Parameter zu bestimmen. Daher ist eine umfassende Analyse, wie sie routinemäßig in Zentrallabors durchgeführt wird, nicht möglich. Der Fokus richtet sich vielmehr darauf, einen einzigen Parameter z.B. Blutzucker dauerhaft mit wenig Aufwand zu überwachen oder in der Notfallmedizin zeitnah spezifische Kenngrößen zu ermitteln z.B. Troponin.

Wer also die POCT Technologie als vollständigen Ersatz für die traditionelle diagnostische Analytik ansieht, wird wohl enttäuscht werden. Die Geräte stellen eine schöne Ergänzung zur Standardlaboranalytik dar, sofern sie sinnvoll in das Laborinformationssystem integriert werden. Die Vorteile der einfachen, schnellen Handhabung der Geräte verlieren ihren Nutzen, sobald für eine Differentialdiagnose eine große Anzahl von Parametern abgeklärt werden muss.

Aktuelle Forschung und Entwicklung

Genau hier finden sich die Herausforderungen für aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Die Anzahl der Bestimmungsparameter pro Messung muss erhöht werden. Der Weg dahin führt über Miniaturisierung und Parallelisierung der bestehenden technischen Möglichkeiten. Einen vielversprechenden Ansatz hierfür bieten Biosensor-basierte Systeme [5]. Dies sind Systeme, die spezielle biochemische Reaktionen für die Bestimmung von Analyten über elektrische, thermische oder optische Signale unter Nutzung von Enzymen, Immunreaktionen oder Zellen einsetzen. Auch an der Universität Tübingen werden im Rahmen von Forschungsprojekten Biosensorplattformen für die klinische Diagnostik entwickelt.

Care-Man (Health-CARE by biosensing Measurement And Networking) [6]

An diesem durch die EU mit 11 Mio. € geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekt sind 28 Partner aus 11 europäischen Ländern beteiligt, die innerhalb von 5 Jahren ein validiertes, automatisiertes und modular aufgebautes Messgerät für die medizinische Diagnostik entwickeln. Basierend auf optischen Transduktionsprinzipien sollen biochemische Erkennungsmethoden und moderne Kommunikationsmöglichkeiten kombiniert werden. Diese ermöglichen die gleichzeitige Erfassung mehrerer, für bestimmte Krankheiten charakteristischer Parameter. Dabei stehen Nachweise von Krankheitsmarkern für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronische und akute Entzündungen im Vordergrund. Es wurden vier verschiedene Detektionsmethoden verglichen, die allerdings alle auf dem Konzentrations-proportionalen Nachweis der Fluoreszenz beruhen.

MoDekt (Modulare Detektionsplattform)

Dieses vom BMBF geförderte Projekt an den Universitäten Stuttgart und Tübingen erarbeitet die Nutzung moderner Photodetektoren-Entwicklungen für bioanalytische Verfahren sowie deren Integration in eine modulare Detektionsplattform, die für unterschiedliche Anforderungen der molekulare-medizinischen Analytik und Diagnostik weitgehend frei konfigurierbar und skalierbar ist. Die Erprobung in einem konkreten Anwendungsfeld konzentriert sich auf den Einsatz des parallelisierten direkt-optischen und markierungsfreien Nachweisverfahrens RIfS (Reflektometrische Interferenzsspektroskopie) [7] für die patientennahe Diagnostik. Im Nachfolgeprojekt Pepper wird die entwickelte Technik in einem Prototypgerät zusammen geführt.

Ausblick

Der Unterschied der beiden Ansätze, liegt im Detektionsprinzip. Das Sensorsystem, das im Rahmen des Care-Man-Projekts entwickelt wird, verwendet fluoreszenzmarkierte Erkennungsstrukturen (v.a. Antikörper) zur Detektion des Testergebnisses. Die Fluoreszenzmarkierung und -detektion macht sehr niedrige Nachweisgrenzen, die in der klinischen Diagnostik häufig notwendig sind, möglich. Die MoDekt-Plattform verwendet ein direkt optisches Verfahren, welches keine weiteren Testreagenzien erfordert, aber im Vergleich mit markierten Methoden, nicht ganz so niedrige Nachweisgrenzen zuläßt.

Beide Ansätze befinden sich, zusammen mit vielen anderen derzeitigen Entwicklungen, auf einem guten Weg in den analytischen Alltag. In wie weit die Realität der nächsten Jahre mit unserem jetzigen angestrebten Ziel übereinstimmt und welche Methoden sich durchsetzen, muss sich erst noch zeigen. Fest steht allerdings, dass die Entwicklung weitergeht und die Veränderungen in den nächsten Jahren erheblich sein werden.

Literatur
[1] Gauglitz G. und Luppa P.B.: Patientennahe Labordiagnostik. Point-of-Care-Testing. Chemie in unserer Zeit; 43:308-18 (2009)
[2] Luppa P.B und Schlehbusch H.: Patientennahe Labordignostik, Springer Medizin Verlag, Heidelberg (2008)
[3] Dungan K. et al.: Glucose measurements: Confounding issues in setting targets for inpatient management, Diabetes Care, 30, 403 (2007)
[4] www.abbottpiontofcare.com/istat/
[5] Stöcklein, W.: Molekül-Detektive. Biosensoren, Chemie in unserer Zeit, 40, 32, (2006)
[6] Gaulitz G.: Improvement in Helthcare diagnostics. International Innovation, Healthcare Issue 1, p. 134-136 (2011)
[7] Brecht A. et al.: Interferometric immunoassay in a FIA-system - A sensitive and rapid approach in label-free immunosensing. Biosens Bioelectron 8, 387-392 (1993)

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