{"id":188075,"date":"2019-09-30T14:00:32","date_gmt":"2019-09-30T12:00:32","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=188075"},"modified":"2019-09-30T14:00:32","modified_gmt":"2019-09-30T12:00:32","slug":"lab-on-a-chip-soll-laborwerte-direkt-vor-ort-ermitteln","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/lab-on-a-chip-soll-laborwerte-direkt-vor-ort-ermitteln\/","title":{"rendered":"\u201eLab-on-a-Chip\u201c soll Laborwerte direkt vor Ort ermitteln"},"content":{"rendered":"

Bald k\u00f6nnten lange Wartezeiten auf Laborwerte vorbei sein. Denn ein interdisziplin\u00e4res Forschungsteam rund um Wolfgang Ensinger, Professor f\u00fcr Materialwissenschaften, und Helmut Schlaak, Professor f\u00fcr Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Darmstadt<\/a> entwickelten nun gemeinsam mit Ivana Duznovic, Chemikerin, und Mario El Khoury, Elektrotechniker, einen Prototypen f\u00fcr ein \u201eLab-on-a-Chip”-System. Dieser erfasst Substanzen direkt vor Ort.<\/p>\n

Inspiriert durch biologische Nanoporen<\/h3>\n

Inspiriert wurden die Wissenschaftler dabei von der Natur. Denn biologische Nanoporen, die in die Zellmembranen integriert sind, sorgen daf\u00fcr, dass Substanzen von au\u00dfen nach innen oder von innen nach au\u00dfen transportiert werden. Dabei funktionieren sie entweder als Schleusen oder als selektive Transportsysteme. Eine weitere Besonderheit: Sie sind auf bestimmte Substanzen spezialisiert.<\/p>\n

Bisher gibt es noch kein technisches System, das es mit der Sensitivit\u00e4t und Spezifit\u00e4t der biologischen Nanoporen aufnehmen kann. Ihre Leistungsf\u00e4higkeit ist unerreicht. Biologische Nanoporen selbst sind allerdings f\u00fcr eine technische Anwendung ungeeignet. Denn sie sind schlichtweg zu fragil.<\/p>\n

Ensinger und Duznovic setzen daher auf synthetische Nanoporen, die sie mit einem chemischen oder biologischen Sensor ausstatten. Daf\u00fcr werden die Oberfl\u00e4chen der Nanoporen entsprechend funktionalisiert.<\/p>\n

\u201eUnser Ziel ist es, eine neue Generation von Sensoren zu entwickeln, die in enger Anlehnung an ihre biologischen Vorbilder eine hohe Empfindlichkeit und Leistungsf\u00e4higkeit besitzen\u201c, erkl\u00e4rt Ensinger. \u201eWenn wir diese bioinspirierten Sensoren dann in ein mikrofluidisches System mit einer tragbaren Auswertelektronik integrieren, wird daraus ein Lab-on-a-Chip-System\u201c, erg\u00e4nzt Schlaak.<\/p><\/blockquote>\n

System arbeitet genauso pr\u00e4zise wie Labor<\/h3>\n

Mikrochips, die Substanzen direkt vor Ort messen, sind ein Traum f\u00fcr Mediziner als auch f\u00fcr Umweltanalytiker. Denn bis jetzt mussten – zur Diagnostik einer Erkrankung oder deren Verlaufskontrolle sowie auch zum Test der Belastung von Abw\u00e4ssern mit Pflanzenschutzmitteln oder Medikamenten -, die Proben ins Labor geschickt werden. Dies wiederum impliziert eine lange Wartezeit auf die Ergebnisse. Mit dem Ziel, eine neue Generation von Sensoren zu entwickeln, die in enger Anlehnung an ihre biologischen Vorbilder hoch empfindlich und leistungsf\u00e4hig sind, stellte das interdisziplin\u00e4re Team der TU Darmstadt nun ihren patentierten \u201eLab-on-a-Chip\u201c-Prototypen vor. Er ist gerade einmal Checkkartengro\u00df, besitzt aber die Funktionalit\u00e4t eines Labors und arbeitet sogar noch schneller, kosteng\u00fcnstiger und mit weniger Aufwand als ein klassisches Labor. Denn die Werte werden noch w\u00e4hrend des Besuchs beim Arzt oder am Probenort bestimmt. Nichtsdestotrotz arbeitet das System genauso pr\u00e4zise, robust und zuverl\u00e4ssig wie ein Labor.<\/p>\n

Mehrere Verarbeitungsschritte notwendig<\/h3>\n

Zur Herstellung sind allerdings mehrere Schritte notwendig. Zuerst m\u00fcssen die synthetischen Nanoporen produziert\u00a0 werden. Das geschieht durch den Beschuss von Polymer-Folien mit Schwerionen. Diese Aufgabe \u00fcbernimmt das GSI Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Schwerionenforschung<\/a> in Darmstadt. Nach dem Beschuss der Folien werden die Nanoporen vergr\u00f6\u00dfert und in eine konische Form gebracht. Sie haben dann eine enge und eine weite \u00d6ffnung und sehen aus wie ein Trichter. Vergr\u00f6\u00dfert werden die Nanoporen, indem die Folie von einer Seite mit Lauge behandelt wird.<\/p>\n

\u201eDurch den \u00c4tzvorgang entstehen freie Carboxygruppen, \u00fcber die wir die Nanoporen dann durch Koppelungschemie funktionalisieren k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt Ivana Duznovic. \u201eWir k\u00f6nnen im Grunde alles M\u00f6gliche an die Carboxygruppen anh\u00e4ngen. Allerdings sind nur Substanzen sinnvoll, die biologisch oder chemisch relevant sind und mit deren Hilfe wir die f\u00fcr Diagnose oder Umweltanalytik relevanten Biomolek\u00fcle mit hoher Spezifit\u00e4t und Sensitivit\u00e4t nachweisen k\u00f6nnen. Sonst w\u00fcrde der Sensor keinen Sinn machen.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

Nanoporen regenerierbar<\/h3>\n

Funktionalisiert wurden die Nanoporen unter anderem f\u00fcr den Nachweis von Histamin. Dieser Botenstoff spielt eine zentrale Rolle bei allergischen Reaktionen und k\u00f6nnte auch bei der Alzheimer-Demenz wichtig sein. Der Nachweis, den Ensinger und Duznovic konzipierten, basiert auf einer Verdr\u00e4ngungsreaktion. Eine an die Carboxygruppe gekoppelte Substanz bindet ein Metallion, das auch an Histamin binden kann. Enth\u00e4lt die Probe Histamin, wechselt das Metallion zum Histamin \u00fcber, was an einem Stromabfall in den Nanoporen zu erkennen ist. Dabei gilt: Je st\u00e4rker der Strom abf\u00e4llt, desto mehr Histamin ist in der Probe enthalten. Weil die an die Carboxygruppe gekoppelte Substanz wieder mit dem Metallion beladen werden kann, sind die Nanoporen regenerierbar und k\u00f6nnen f\u00fcr einen weiteren Nachweis verwendet werden.<\/p>\n

Vom Prototypen zum System<\/h3>\n

Der n\u00e4chste Schritt ist die Entwicklung des \u201eLab-on-a-Chip”-Systems.<\/p>\n

\u201eWir haben schon einen funktionierenden Mikrochip, allerdings sind noch einige Probleme zu l\u00f6sen, weil der Nachweis nicht nur in w\u00e4ssriger L\u00f6sung funktionieren soll, sondern auch in einer Blutprobe\u201c, so Schlaak.<\/p><\/blockquote>\n

Das Team m\u00f6chte den Chip aus Kostengr\u00fcnden gerne wiederverwerten. Dies ist aufgrund der Regenerierbarkeit der Nanoporen auch grunds\u00e4tzlich m\u00f6glich. Deshalb sollte es bei sp\u00e4teren Ergebnissen keine Verf\u00e4lschungen durch die Erstverwendung geben:<\/p>\n

\u201eWir d\u00fcrfen keine sogenannten Memory-Effekte haben\u201c, bringt El Khoury das Problem auf den Punkt.<\/p><\/blockquote>\n

Ein Nadel\u00f6hr f\u00fcr die Kommerzialisierung ist auch die Suche nach einem geeigneten Kandidaten f\u00fcr einen entsprechenden Nachweis, etwa f\u00fcr die Medizin.<\/p>\n

\u201eWir brauchen einen Marker, der schon entsprechend validiert worden ist\u201c, erkl\u00e4rt Ensinger. \u201eEs muss sicher sein, dass der Nachweis tats\u00e4chlich medizinisch sinnvoll und hilfreich ist, etwa f\u00fcr die Diagnostik, das Screening oder die Verlaufskontrolle einer Erkrankung\u201c, so der Materialwissenschaftler weiter und er f\u00fcgt an:<\/p>\n

\u201eWir sind derzeit noch auf der Suche nach interessanten Kandidaten und kollaborieren bereits mit der Universit\u00e4tsklinik in Mainz. Allerdings sind wir offen f\u00fcr weitere Ideen.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

Interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit<\/h3>\n

Ein auf bioinspirierten Nanoporen basiertes \u201eLab-on-a-Chip”-System l\u00e4sst sich nur in enger Zusammenarbeit mit anderen Disziplinen erarbeiten. Ensinger und Schlaak loben deshalb auch das interdisziplin\u00e4re Vorgehen im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts iNAPO<\/a>. An der Entwicklung waren Chemiker, Biologen, Materialwissenschaftler, Physiker und Elektrotechniker beteiligt.<\/p>\n

\u201eWir sind an der TU Darmstadt f\u00fcr derartige Projekte sehr gut aufgestellt\u201c, freut sich Ensinger. Als n\u00e4chstes m\u00f6chte das Team die Oberfl\u00e4chen der Nanoproben f\u00fcr den Nachweis von Proteinen ausr\u00fcsten, um damit auch komplexe Biomarker nachzuweisen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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