Westentaschenlabor für schnelle Point-of-Care-Diagnostik

Chemische Reaktionen auf dem Niveau einzelner Moleküle analysieren

Wie genau reagiert ein Wirkstoff mit körpereigenen Stoffen? Um herauszufinden, wie die Interaktion im Einzelnen funktioniert, haben wir am Fraunhofer FIT eine Technik entwickelt, mit der sich chemische Reaktionen von Anfang bis Ende auf Einzelmolekülniveau beobachten lassen.

Das bieten wir
Ein System, mit dem sich in kurzer Zeit Informationen auf Einzelmolekülniveau gewinnen lassen.
Das brauchen wir
Industriepartner für die Entwicklung konkreter Anwendungen.
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Alles, was man dafür braucht, sind winzige Probentröpfchen der Wirkstoffe (<150nl). Legt man eine elektrische Spannung an, werden mechanische Kräfte auf die Tropfenflüssigkeit übertragen. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip nennt sich Elektrobenetzung oder Englisch »Electrowetting«: Ein elektrisches Feld wirkt auf die elektrischen Ladungen in den Tröpfchen. So können die Tropfen gezielt gehandhabt werden. Mit Elektrobenetzung lassen sich auch zwei unterschiedliche Probentröpfchen zu einem vereinigen. Der Clou ist, dass es uns am Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT jetzt gelungen ist, dabei die Abläufe bei der Interaktion der beiden Tröpfchen auf Einzelmolekülniveau zu beobachten – und somit die gesamte Prozesskette zu erfassen.

Untersuchungsergebnisse in kürzester Zeit

Dafür entwickelten wir ein System zur Elektrobenetzung (»Elektrowetting-on-Dielectric-System« oder kurz »EWOD«), das aus mehreren Elektroden besteht. Je nachdem wie die Elektroden geschaltet sind, bewegen sich die Tröpfchen voneinander weg oder aufeinander zu, treffen an einer vorher definierten Stelle aufeinander und vermischen sich. Dabei werden sie mit einem konfokalen Mikroskop beobachtet, das hochauflösende Messungen ermöglicht.

Die Kombination aus Elektrobenetzung und konfokaler Mikroskopie ermöglicht uns, die Interaktionen unter natürlichen Bedingungen, wie sie auch im Körper stattfinden, zu untersuchen. In der Pharmakologie ist es beispielsweise wichtig, möglichst genau zu wissen, wie Arzneiwirkstoffe wirken und was in welcher Zeit passiert, ohne auf oberflächenbasierte Verfahren angewiesen zu sein.

Halterung mit EWOD-Chip und Anschlüssen für die Ansteuerung.

Herkömmliche Laboruntersuchungen liefern nicht nur weniger Informationen. Sie benötigen auch wesentlich größere Probenmengen und dauern länger, ein enzymatisches Assay beispielsweise rund 15-20 Minuten. Mit unserem System könnten wir in deutlich kürzerer Zeit (Ziel sind weniger als 30 Sekunden) ein Ergebnis haben. Mit EWOD und konfokaler Mikroskopie ließe sich auch die Interaktion zwischen komplementären DNA-Strängen, Antikörper und Antigen oder Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat untersuchen – vieles ist denkbar.

Zahlreiche Möglichkeiten für konkrete Anwendungen

Das System ist außerdem prädestiniert für den Einsatz im Bereich der sogenannten Point-of-Care-Diagnostik, also für diagnostische Untersuchungen, die nicht in einem Zentrallabor, sondern vor Ort am Klinikbett oder in der Arztpraxis durchgeführt werden. Als eine Art Westentaschenlabor (»Lab-on-a-Chip«) könnte es schnell und unkompliziert Ergebnisse von Blut- oder Urinproben liefern.

Bisher konnten wir zeigen, dass es möglich ist, unser EWOD mit konfokaler Mikroskopie zu kombinieren und so Informationen auf Einzelmolekülniveau zu gewinnen. Um konkrete Anwendungen zu entwickeln, sind wir jetzt auf der Suche nach Partnern aus Industrie und Forschung.

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