MEDIZINPRODUKTE | Lab-on-a-Chip

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Kleines Labor, große Wirkung

Mit Hilfe von Lab-on-a-Chip- Systemen können Flüssigkeiten rasch in der Praxis analysiert werden. Das Einsatzgebiet der Technologie ist mittlerweile allerdings noch viel größer: Unter anderem lassen sich damit Organfunktionen nachbauen.

Der Transport ins Speziallabor oder die Wartezeit auf das Ergebnis sind im Praxis- und Klinikalltag nichts Neues. Labors-on-a-Chip, auch Lab-on-a-Chip, LOCs, LoaC oder salopp „Westentaschenlabore“ genannt, die auf Mikrof- luidik basieren, schaffen bereits vielfach Abhilfe. So können etwa geringste Mengen an Blut oder Speichel ohne großen Aufwand ganz im Sinne des Point-of-Care-Testings, also der patientennahen Labordiagnostik, gleich in der Praxis analysiert werden, das Ergebnis wird binnen Kurzem sichtbar. Die so genannte Turn-around-Time (TAT), also die Zeit bis zum Vorliegen des Ergebnisses, liegt häufig zwischen fünf und 15 Minuten. Und damit deutlich unter der selbst unter optimalen Bedingungen erzielbaren TAT im Zentrallabor.

Der Grund dafür liegt darin, dass die Mini-Labore eine oder mehrere Laborfunktionen auf einen Chip bringen, der in der Regel nicht größer als einige Millimeter ist. Der Transport der Proben zwischen den verschiedenen Reakti- ons- und Analysekammern erfolgt mithilfe von Kapillarkräften. Oder, wie es das deutsche Netzwerk für Lab-on-a- chip-Technologien beschreibt: „Unter Lab-on-a-Chip-Ansätzen versteht man die Zusammenfassung und Integrati- on mehrerer Analyseschritte der klassischen und neuen Laboranalytik auf einem Glas-, Silizium- oder Plastik-Chip. Die Zielstellung ist, einen hohen Automationsgrad sowie eine weitestgehende Parallelisierung vieler Analyseschrit- te zu erreichen.“


Viele Anwendungsmöglichkeiten

Breit gefächert ist auch das Einsatzgebiet der Mini-Labore: Niedergelassene Ärzte können damit nicht nur akute Infekte frühestmöglich erkennen, sondern so mittlerweile auch verschiedene Differentialdiagnosen erstellen. Wei- ters können die Systeme beim Monitoring von Therapien zum Einsatz kommen – ganz im Sinne der Telemedizin. Aber auch über die Praxis hinaus gibt es zahlreiche Anwendungsgebiete der LOC-Technologien: Es reicht dem Netzwerk zufolge von Anwendungen für die Vor-Ort-Analytik – Stichwort Umwelttoxikologie – über den Einsatz bei mikrobiologischen Fragestellungen bis zu zellbiologischen Fragestellungen. Dabei wird in der Forschung noch viel Neuland betreten: So haben beispielsweise Forscher am Biozentrum der Universität Basel gemeinsam mit Kolle- gen am Max-Planck-Institut in Dresden ein neues Mini-Labor mit automatischer Analysesoftware entwickelt. Damit kann die Genregulation in einzelnen Bakterienzellen bei kontrolliert veränderten Umweltbedingungen untersucht werden. In etwa 2.000 Kanälen von einem tausendstel Millimeter Durchmesser wachsen einzelne Bakterienzellen, die die Forscher im Team von Prof. Dr. Erik van Nimwegen vom Biozentrum der Universität Basel genau untersu- chen können. Denn die Aufnahme von Tausenden von mikroskopischen Bildern in kürzesten Zeitabständen er- laubt es, das Wachstum und Verhalten mehrerer Generationen einzelner E.-coli-Bakterien über Tage hinweg zu verfolgen. Die Fülle an Daten wird durch eine neuartige Software zur Bildauswertung automatisch analysiert und präzise quantifiziert. Unter anderem lässt sich ermitteln, wie einzelne Bakterienzellen reagieren, wenn sie einem Antibiotikum ausgesetzt werden: ob sie absterben, ihr Wachstum einstellen oder sich einfach ungestört weiter ver- mehren. Beobachten kann man auch, wie sich die zunehmende Wirkungsdauer des Antibiotikums auf die Zellen auswirkt. Das ist wichtig, um zu verstehen, warum nicht immer alle Krankheitserreger durch Antibiotika getötet werden.


Rasche Infektionsdiagnostik

Apropos Antibiotikum: Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), des Center for Sepsis Control and Care des Jenaer Universitätsklinikums und der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben mit Hilfe eines Lab-on-a-Chip-Systems im Frühling eine schnelle, kostengünstige Alternative zur bislang zeitintensiven mikrobiologischen Erregerdiagnostik vorgestellt. Dieser Schnelltest gibt innerhalb von dreieinhalb Stunden Auskunft darüber, welches verfügbare Antibiotikum im konkreten Fall noch wirksam ist. „Wir kombinieren lichtbasierte Analysenmethoden mit mikrofluidischer Probenprozessierung. Mit unserem Lab-on-a-Chip-System, also einem miniaturisierten Labor, können wir Bakterienstämme und deren Resistenzen in weniger als dreieinhalb Stunden eindeutig bestimmen“, beschreibt Projektleiterin Prof. Ute Neugebauer den Vorteil des neuen Ansatzes. Standardverfahren für die Infektionsdiagnostik hingegen benötigen mitunter 72 Stunden bis zum Vorliegen eines verlässlichen Ergebnisses. Denn erst nach einer zeitraubenden Kultivierung ist eine Analyse möglich. „Viel zu oft müssen wir ‚blind’ mit Breitspektrum-Antibiotika behandeln, da wir zunächst weder den Erreger noch eventuell vorhandene Resistenzen bestimmen können. Daher schießen wir unter Umständen mit Kanonen auf Spatzen. Ein Teufelskreis, der das Entstehen neuer Resistenzen begünstigt“, sagte dazu Prof. Dr. Michael Bauer, Direktor der Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin am Universitätsklinikum Jena. Eine deutlich schnellere Diagnose lie- fert das neue Verfahren aus Jena. Elektrische Felder fixieren die Bakterien in einem sehr kleinen Bereich auf dem etwa briefmarkengroßen Chip. Dort gefangen, werden die Erreger mit verschiedenen Antibiotika in unterschiedli- chen Konzentrationen in Kontakt gebracht und mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. „Das heißt, wir be- strahlen die Erreger mit Laserlicht und werten das gestreute Lichtspektrum aus“, beschreibt Neugebauer die Me- thode. „Bereits nach zwei Stunden zeigen sich eindeutige Veränderungen in den Raman-Spektren. Daraus lässt sich ableiten, ob der Stamm resistent oder sensibel ist und wie hoch die Konzentration des Antibiotikums sein muss, um das Bakterienwachstum vollständig zu hemmen. Das ist ein wichtiger diagnostischer Parameter, der den Erfolg der Behandlung entscheidend beeinflusst“, so Popp weiter. Ein weiter in die Zukunft reichendes Ziel ist die Weiterentwicklung zu einem kartuschenbasierten Schnelltestsystem, das es erstmalig Hausärzten ermöglichen wird, die Resistenzen unkompliziert und schnell zu bestimmen. Damit hätten Mediziner ein mächtiges Werkzeug, das sie bei der personalisierten Therapieentscheidung unterstützt.


Organe unter der Lupe

Im Fokus der Forscher steht aber noch ein anderes Anwendungsgebiet der LOCs, nämlich das Nachstellen von Organfunktionen (Organ-on-a-Chip). Dabei verschmelzen komplexe humane Biologie und Mikrochip-Technologie zu einer Symbiose. Am Chip wird nicht nur menschliches Gewebe gezüchtet, es können auch wichtige biologi- sche Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu be- obachten und die Medikamentenentwicklung zu optimieren. „Die Organ-on-a-Chip-Technologie ist ein revolutionä- rer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnolo- gie und Pharmazie erzeugt hat“, sagt Prof. Dr. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe an der TU Wien. Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip solle dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden können, und stelle außerdem auch eine wichtige Methode für den Ersatz von Tierversuchen dar. Der enormen Bedeutung der Organ-on-a-chip-Technologie hat auch das „Council on emerging Technologies“ des World Economic Forum 2016 Rechnung getragen und die Technologie als eine der Top 10 „emerging Technolo- gies” präsentiert.

Jüngstes Projekt der TU Wien, an der auch die Cell-Chip-Forschungsgruppe maßgeblich beteiligt war, war die Herstellung einer künstlichen Plazentabarriere auf einem Chip mittels 3D-Druck. „Unser Chip besteht aus zwei Be- reichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter“, erklärt Denise Mandt, MSc, die im Rahmen ihrer Di- plomarbeit an dem Projekt arbeitete. „Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3D-Druck-Verfahren eine Trenn- wand her – die künstliche Plazentamembran.“ In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstli- che Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchge- lassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nähr- stofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen.

Marktchancen verbessern

Bereits im Vorjahr hat das Team der TU Wien einen Chip für Wundheilungsmessungen entwickelt, der individuali- sierte Erkenntnisse über Wirksamkeit und Nebenwirkun- gen von Medikamenten liefert. Direkt im Chip entsteht ein sogenannter Zellrasen, dem auf genau kontrollierte, standardisierte und reproduzierbare Weise kleine Wun- den zugefügt werden – ähnlich wie im realen Leben. Pneumatisch bewegte Membranen stanzen kleine runde Löcher in den gesunden Zellrasen, mit genau definier- tem Durchmesser und hoher Präzision. Nicht nur die Verwundungsprozesse selbst kann man am Bio-Chip untersuchen, man kann auch genau studieren, wie sich die Wunde von selbst wieder schließt, wie sich die Mi- grationsrate von Zellen verhält und vor allem welche Me- dikamente die Wundheilung verbessern und

beschleunigen. Die Zukunft von chipbasierten Organmodellen wird hoch eingeschätzt: zur Kombination von Krankheits-Pharmakologie und Risikoabschätzung, zur Reduktion und dem Ersatz von Tierversuchen, zur Unter- stützung bei der Markteinschätzung von Biologics und Biosimilars und in der personalisierten Medizin. Die Her- ausforderungen liegen derzeit noch in der Umsetzbarkeit der Resultate auf klinische Prognosen, den Kosten und der teils schwierigen Gewinnung primärer Zellen.

Die technologischen Probleme, etwa auf Ebene der Systemintegration oder der Komplett-Automation, sowie die Tatsache, dass Kostensenkungspotenziale noch nicht ausgeschöpft wurden, sind auch der Grund, dass sich LOCs in den Praxen noch nicht völlig durchgesetzt haben. Das könnte sich allerdings mittelfristig ändern. Das ist zumindest das Ziel des im Vorjahr eröffneten Fraunhofer Project Centers for Embedded Bioanalytical Systems at Dublin City University. Die Kooperation des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen und der Dublin City University will sowohl die Systeme als auch die Technologien zu ihrer Herstellung weiterentwickeln und dadurch sowohl die Verfügbarkeit verbessern, als auch Anwendungskosten senken.


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