(LOC) Lab-on-a-chip Neue POCT-Technologien - Wolfgang Kaminski Institut für Klinische Chemie
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Neue POCT-Technologien
Lab-on-a-chip
(LOC)
Wolfgang Kaminski
Institut für Klinische Chemie
Universität Heidelberg
Campus Mannheim
Definition LOC Diagnostische Anwendungen Neuentwicklungen Problemfelder/Herausforderungen Ausblick
Definitionen und Begriffe
Was bedeutet Lab-on-a-chip?
Definition:
Geräte, die (multiple) Laborfunktionen auf
einer millimetergrossen Plattform integ-
rieren
und
mit sehr geringen Reaktionsvolumina
umgehen können (μl – pl)
Glas-Mikroreaktor
Microfluidics μTAS (micro total analytic
system)
Micro Electro Mechanical
Systems (MEMS)
Was sind die Anfänge?
Anfang 1990er
Mikropumpen
Durchfluss-Sensoren
Integrierte „Flüssigkeiten-
prozessierung“ Flüssigkeitsbewegung
für Analysensysteme durch Mikrokanäle
- druckgesteuert
- elektrokinetisch
Reinigung Separation
Ende 1990er Kapillarelektrophorese
DNA Microarrays
Was treibt die Miniaturisierung voran? Minimierung von Probenvolumen und Reagenzienverbrauch POCT Drug Discovery Nachweis biologischer Kampfstoffe „Global Health“ Astrobiologie
Miniaturisierte PCR: Lab-on-chip-Systeme
Rückseite eines Zwei-Kammer-
Chip-Thermocyclers mit
Ein-Kammer-Chip- Dünnschichtheizern, Meßfühlern
Thermocycler mit transparenter und elektrischen Kontaktsystem
Abdeckung für Fluoreszenz-
Monitoring
Vorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Vorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Schnellere Analysendurchführung kurze Diffusionswege
effiziente Thermodynamik
günstige Oberflächen:Volumen
Verhältnisse
Vorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Schnellere Analysendurchführung kurze Diffusionswege
effiziente Thermodynamik
günstige Oberflächen:Volumen
Verhältnisse
Geringe(re)
Integration von verdichteter Funktionalität
Herstellungskosten
und kleinen Reaktionsvolumina
Vorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Schnellere Analysendurchführung kurze Diffusionswege
effiziente Thermodynamik
günstige Oberflächen:Volumen
Verhältnisse
Geringe(re)
Integration von verdichteter Funktionalität
Herstellungskosten
und kleinen Reaktionsvolumina
Kompaktheit Einweg-Nutzung
MassenproduktionVorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Schnellere Analysendurchführung kurze Diffusionswege
effiziente Thermodynamik
günstige Oberflächen:Volumen
Verhältnisse
Geringe(re)
Integration von verdichteter Funktionalität
Herstellungskosten
und kleinen Reaktionsvolumina
Kompaktheit Einweg-Nutzung
Massenproduktion
Unbegrenzte (?) Parallelisierung HochdurchsatzVorteile der LOC
Miniaturisierung
Geringe Reaktionsvolumina
weniger: Abfall
Reagenzienkosten
Probenmaterial
Schnellere Analysendurchführung kurze Diffusionswege
effiziente Thermodynamik
günstige Oberflächen:Volumen
Verhältnisse
Geringe(re)
Integration von verdichteter Funktionalität
Herstellungskosten
und kleinen Reaktionsvolumina
Kompaktheit Einweg-Nutzung
Massenproduktion
Unbegrenzte (?) Parallelisierung Hochdurchsatz
Mehr Sicherheit
Generelle KleindimensionierungMikro-Arrays
Der weltweite Mikro-Array Markt wird derzeit auf
ein Volumen von
€600 Mio
taxiert - Tendenz steigend.
Anforderungen an die Systeme durch den Markt:
kostengünstig
tragbar
leicht bedienbar
exakt
verlässlich
schnellMikro-Arrays
Klinisch-diagnostische Anwendungen
BeispieleDNA Array basierte Genotypisierung in der Pharmakogenetik
Amplichip® CYP450 Roche
Anwendung: Genoytypisierung der Metabolisierungsenzyme
CYP450 2D6, CYP450 2C19
Paralleler Nachweis von 33 Genvarianten zur Identifikation
des Metabolisierungspotentials (z.B. Psychopharmaka)
Automatisierte Hybridisierung, Imaging und Auswertung auf Basis des
Affymetrix System
für klin. Anwendung zugelassen !Erfordernis: Fluidics Station, Scanner, PC, User-Expertise ! Dauer: 1 Tag Mikrosystem, aber derzeit nicht POCT-fähig
Evaluation des Rezidivrisikos bei Brustkrebs
MammaPrint® Agendia
Prinzip: 70-Gen-mRNA Expression-Profiling von Brust-
krebs-assoziierten Genen
(van 't Veer et al., Nature 2002)
Material: Frisch entnommene Mamma-Resektatproben
Versand ans Netherlands Cancer Institute
Dauer: 10 Tage
Anwendung: Abschätzung des Risikos eines Rezidivs
(5-10 Jahre nach Diagnose)
LK –
< 61 J
Tumor < 5 cm
FDA freigegeben !
Befundung erfordert ausgewiesene Expertise und Einsendung an Spezialanbieter !
Kosten: $ 3,200 !!Prognoseevaluation bei Brustkrebs-Subentität
Mammostrat® Applied Genomics Inc.
Ring, B. Z., et al. 2006. J Clinical Oncol 24:3039
Prinzip: 5-Antikörper Immunohistochemie Test PFA-fixiertes Gewebe
Anwendung: postmenopausales Mammakarzinom
Tamoxifen-behandelt
LK -
Östrogenrezeptor +,
Kostengünstiger als molekulargenetische Tests?Prognoseevaluation bei Brustkrebs-Subentität Read-out: IHC Befund: niederer Risikobereich
Prognoseevaluation bei Brustkrebs-Subentität Read-out: Befund: hoher Risikobereich Befundung erfordert ausgewiesene Expertise und Einsendung an Spezialanbieter !
Mikro-Bead basierte Immunoassays Immunoassays auf chemisch sensibilisierten Beads auf Silicon- oberflächenmatrix Jeder der 280-μm Beads fungiert als Microreaktor-Sensor, dessen Selektivität sich durch die Spezifität des Capture-AK definiert Anwendungen: IL-1β CRP Parodontose-Diagnostik MMP-8 (Speicheltest) CRP-Leukozyten Assay
Vergleichbarkeit ? Qualität vergleichbar mit der kommerzieller ELISAs (Clinical Chemistry. 2005;51:2391-2395.)
Chip-basierte Immunoassay-Techniken
Randox Evidence®
Konventionelle Immunoassay-Technologie
auf Chip
Zytokin-Array:
Interleukin-1α (IL-1α)
Interleukin-1β (IL-1β)
Interleukin-2 (IL-2)
Interleukin-4 (IL-4)
Interleukin-6 (IL-6)
Interleukin-8 (IL-8)
Interleukin-10 (IL-10)
Interleukin-12 (IL-12)
Vascular endothelial growth factor (VEGF)
TNF-α
IFN-γ
Epidermal growth factor (EGF)
Monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1)„Stroke-Chip“
Triage Stroke Panel, Biosite
BNP
MMP-9
S-100β
D-Dimere
2006 premarket approval zurückgezogenNeue Entwicklungen in der miniaturisierten Diagnostik
Biohybride Systeme
Bioelektronische Mikrosensoren
Testzellen
Mikrosensoren monitoren anhand von Zellen oder Geweben die Funktion des Testorganismus.
Simulation der in-vivo Umgebung
Potentiell Anwendungen:
Reaktion auf Chemotherapeutika
Bestimmung der individuellen Chemosensitiviät von TumorenNeue Entwicklungen in der miniaturisierten Diagnostik
Intelligent mobile lab (IMOLA)
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische
Elektronik (TU München)
Entwicklung eines mobilen Bioanalysetools
Prinzip: Biologische Zellen als Signalwandler
Anwendungsgebiete Allergiesensorik
Pestiziddetektion
therapierelevante Analytik aus Urin, SpeichelIMOLA
Extrazelluläre Ansäuerung
Zellatmung
Zellproliferation
Veränderungen von Morphologie
und Adhäsion
Multiparametrischer Sensor-Chip
pH Sensor
pO2 Sensor
Impedanz
KeramikchipNeue Entwicklungen in der miniaturisierten Diagnostik
IMOLA set-up
Voll mobil !
Messungen an lebenden Zellen
Datentransfer
Mikrofluidik-
einheit
Biochip + DigitalmodulGegenwärtiger Status LOC
Die erfolgreiche Kommerzialisierung von Lab-on-a-Chip-
Systemen lässt auf sich warten
Immer noch an der Austestungsgrenze des Machbaren
Technische Limitationen
z.B. ist das Auslesen der Daten immer noch auf externe optische
Auslesesysteme angewiesen (off-chip Auslese-technik)
nachteilig für die geforderte kompakte Systemgrösse und
HandhabungInsuläre Entwicklungen
Medizinische
Elektronik
Mikrotechnik
Mikrofluidik
MikrooptikIntegration/Kommunikation ?
Koordinierte strategische Planung ?
Medizinische
Elektronik
Mikrotechnik Diagnostischer
Anwender
Mikrofluidik
MikrooptikProblemfelder Gegenwärtige Entwicklungen noch weitgehend auf dem Stand der Auslotung der technischen Machbarkeit Vielfach sind nur Teilkomponenten der Analysesysteme miniaturisiert Anwendung in der Serie - ist diese überhaupt möglich? Wer „integriert“ die Fülle der Daten von grossen Parallelansätzen? Wo liegen cut-offs oder andere Entscheidunghilfen bei Profiling-Daten? Das LOC ist problemlos an den Patienten zu bringen nicht aber die Expertise von Anwendung und QC Miniaturisierung aus technischer Begeisterung / Machbarkeit ? Ist das immer sinnvoll?
Herausforderungen
Validisierung von miniaturisierten, integrierten Diagnostikplattformen.
Verlässlichkeit
sind unabdingbare Voraussetzungen für
Reproduzierbarkeit
klinisch-diagnostische Fragestellungen !
Kosteneffizienz
Qualitätskontrolle
EffizienzevaluationVerzögerte (R)evolution
Elektrotechnik Bioanalytik
Transistor 1947
1962 Mikrolitergefäss
Mikroprozessor 1971
Intel 4004
Pentium-Prozessor 1993
1995 cDNA Mikroarray
Quanten-Prozessor? Lab-on-a-chipWohin geht die Reise?
Sub-Mikrometer Bereich
Nanosensoren
Einzelzellanalysen /-Profiling
Single Cell Profiling
Integrating whole transcriptome assays on a lab-on-a-chip for single cell gene
profiling.
Lab Chip. 2008 Mar;8(3):443-50 2008 Jan 31.
We demonstrate that, using the microfluidic protocol, 74% of the genes expressed in mouse
brain were detected, while only 4% were found with the conventional approach. We next
profiled single neuronal progenitors. Using our microfluidic approach, i.e. performing cell
capture, lysis and reverse transcription on-chip followed by TS-PCR amplification in tube, a
mean of 5000 genes were detected in each neuron, which corresponds to the expected
number of genes expressed in a single cell. This demonstrates the outstanding sensitivity of
the microfluidic method.October 12 - 16, 2008
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