Lab-on-a-Chip – unkomplizierte Blutanalyse

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Lab-on-a-Chip Systeme sind mittlerweile im medizinischen Alltag angekommen. Beispielsweise in Form von Blutanalysen, Blutzucker- sowie Schwangerschaftstests.

Die Bezeichnung Lab-on-a-Chip – oder Labor-auf-einem-Chip – beschreibt ein mikrofluidisches System. Dieses stellt die gesamte Funktionalität eines realen großen Labors auf einem Kunststoffsubstrat mit der Größe einer Plastikkarte zur Verfügung. Schließlich soll das System kleinste Flüssigkeitsmengen auf einem einzigen Chip analysieren sowie unkomplizierte und schnelle Blutanalyse ermöglichen.

 

Mikrofluidik in Form von Lab-on-a-Chip

Die digitale Transformation basiert auf immer schneller werdende Computer. Diese konnten sich seit etwa sechs Jahrzehnten stetig weiterentwickeln. In ähnlicher Weise haben sich auch die MEMS – Micro Electro Mechanical Systems –  laufend verbessert. Der Startpunkt für die Mikrofluidik in Form von Lab-on-a-Chip, bzw. auch Mikro Total Analysis Systeme (microTAS), wird gerne 1991 gesehen. Damals hat Andreas Manz den Begriff microTAS geprägt, obwohl es auch schon vorher ähnliche Arbeiten gab.

Auch Lab-on-a-Chip ist mittlerweile im Alltag angekommen – beispielsweise in Form von Blutzuckertest und Schwangerschaftstest. Aber auch komplizierte Untersuchungen sind heute mit dieser Technologie möglich. So werden heute Chip-basierte Blutuntersuchungen in Notaufnahmen eingesetzt, um Notfall- oder Herz-Kreislauf-Parameter zu bestimmen.

Man muss verstehen, dass die Leistungsfähigkeit eines Computers durch das intelligente Wechselspiel vieler Schalter/Transistoren entsteht. Deswegen kann man durch geschicktes Design von mikrofluidischen Kanälen, Ventilen und Pumpen auch komplexe biochemische Analysen durchführen.

 

Bakterien und Resistenzen in Lab-on-a-Chip-Systemen nachweisen

So ist es bereits jetzt möglich, auch Bakterien und ihre Resistenzen in Lab-on-a-Chip-Systemen nachzuweisen. Ähnlich wie in der Mikroelektronik ist es auch in der Mikrofluidik möglich, durch Miniaturisierung Prozesse zu beschleunigen. U.a. wegen der Größe von Zellen und Viren bzw. der Konzentration der interessierenden Molekülen ist eine so starke Miniaturisierung wie bei der Mikroelektronik im Fall von Lab-on-a-Chip nicht sinnvoll.

Ein weiterer zentraler Unterschied ist, dass in der Elektronik die Systeme nur Elektronen bewegen. Hingegen sind das im Fall von Lab-on-a-Chip eine nicht enden wollende Zahl von relevanten Molekülen. Ein dritter Unterschied besteht darin, dass man Dinge, die Mikroelektronik enthalten, etwa Computer und Smartphones, genauso wie Dinge, welche MEMS enthalten, etwa Autos und Spielekonsolen, doch über einen längeren Zeitraum nutzt.

 

Einmalanwendungen

Während sich einzelne mikrofluidische Anwendungen mehrfach nutzen lassen, kommen die meisten Lab-on-a-Chip Systeme aus hygienischen und Kontaminationsgründen nur einmal zum Einsatz. Dies führt dazu, dass heute die meisten Lab-on-a-Chip-Systeme mittels Spitzguss und einer Reihe von komplexen Zusammenbauprozessen aus Polymer hergestellt werden, obwohl fast alle mikrotechnischen Felder in der Siliziumtechnologie starteten. Dies zeigt aber, dass die Lab-on-a-Chip-Technologie schon heute produktionstechnisch für einen Massenmarkt ausgelegt ist.

Wenn man Parallelen zu anderen Feldern der Mikrotechnologie zieht, so kann man davon ausgehen, dass sich die Lab-on-a-Chip-Technologie in den nächsten zehn Jahren ähnlich wie Smartphones verbreitet. Faktoren, die diese Entwicklung unterstützen können, sind zum einen die Identifikation von neuen Marker, welche insbesondere durch die rasanten Fortschritte in der molekularen Biologie liegen.

Zum anderen eröffnet die Entwicklung neuer Analyse-Technologien, welche nicht mehr nach einzelnen Molekülen, sondern nach „Fingerabdrücken“ in Spektren (wie sie durch die Massenspektrometrie oder Raman-Spektroskopie erzeugt werden können) suchen, neue und insbesondere schnelle Methoden.

 

Stete Weiterentwicklung

Es ist erwähnenswert, dass diese Techniken in der steten Weiterentwicklung von etablierten Messtechnologien liegen. Allerdings ermöglichen dies erst neue Technologie der Datenanalyse wie Neuronale Netzen und Deep Learning. Insofern sieht man, wie sich die unterschiedlichen Felder der Mikrotechnologie und Mikroelektronik ergänzen. Schließlich schaffen sie hier auch Potenziale, die durch lineare Weiterentwicklung klassischer Techniken nicht möglich wären.

Quelle:

Lab-on-a-Chip: Blutanalyse unkompliziert und schnell im Miniformat. Professor Dr. Klaus Stefan Drese, Leiter des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) an der Hochschule Coburg. Deutsche Gesellschaft für Innere Medizin e. V. (DGIM), Februar 2019, Berlin.

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