"Die größte Herausforderung ergibt sich aus den Wünschen der zukünftigen Anwender nach kurzen Entwicklungs- und Bereitstellungszeiten"

Interview mit Dr. Thomas Henkel, Leibniz-Institut für Photonische Technologien, Jena

Lab-on-a-chip-Systeme automatisieren Laborverfahren, beschleunigen Analysen und erhöhen die Qualität der Messdaten. Das ist dort sehr wertvoll, wo viele verschiedene Substanzen in einem standardisierten, wirtschaftlichen Verfahren untersucht werden sollen – etwa bei der Suche nach neuen Wirkstoffen.

02/05/2014

Foto: Laborarbeit

Lab-on-a-Chip-Systeme vereinfachen ansonsten zeitaufwendige und lang-
wierige Laborarbeit; © panthermedia.net/Radu Razvan

COMPAMED.de sprach mit Dr. Thomas Henkel vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena über die Vorteile der Chips, den Einsatz optischer Technologien und die computergestützte Optimierung der Systeme, die die Entwicklungszeit enorm verkürzt.

COMPAMED.de: Welche Rolle spielen Biomikrosysteme allgemein bei der Vereinfachung von Laborabläufen?

Thomas Henkel: Einhergehend mit der fortschreitenden Entwicklung neuer Laborverfahren und Detektionsprinzipien für die Bioanalytik steigen die Anforderungen an die technische Ausstattung der Forschungslabore und die wissenschaftliche Qualifikation der Mitarbeiter. Die Automatisierung von Laborverfahren trägt hier neben der Erhöhung des Analysendurchsatzes und der Verkürzung der Analysenzeiten auch zur Sicherung der Qualität und Reproduzierbarkeit der gewonnenen Messdaten bei.

Die Übertragung von Laborverfahren auf Lab-on-a-Chip-Systeme adressiert diese Aspekte. Lab-on-a-Chip-Systeme werden gezielt für die schnelle, automatisierte Durchführung vorgegebener Laborverfahren einwickelt und eingesetzt. Als Benchtop-Systeme oder Gerätekomponenten benötigen sie keine spezielle Labor-Infrastruktur. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist die durch die Miniaturisierung erzielte Einsparung an Materialien und Reagenzien. Gerade bei der Verwendung kostenintensiver Substanzen beziehungsweise von Substanzen mit begrenzter Verfügbarkeit ermöglicht dieser Ansatz mitunter erst die Durchführbarkeit der Tests. Der größte Vorteil liegt jedoch in der Verbesserung der Qualität und Aussagekraft der mit solchen Systemen erzielbaren Messergebnisse und daraus abgeleiteten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Informationen.
Foto: Bakterien; Copyright: panthermedia.net/eraxion

"Vorteile ergeben sich auch für das Hochdurchsatz-Screening nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen": Lab-on-chip-Systeme ermöglichen standardisierte Testreihen mit vielen verschiedenen Proben; © panthermedia.net/eraxion

COMPAMED.de: Sie entwerfen Biochips für die Suche nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen. Wie laufen diese Tests ab?

Henkel: Gestützt auf patentierte Verfahren konzentrieren wir uns auf die Implementierung von Lab-on-a-Chip-Systemen für zellbasierte und mikrobielle Assays. Dabei wird die Ausgangsprobe in eine Vielzahl von Probetropfen mit variabler Zusammensetzung von Effektoren und Hilfsreagenzien geteilt und nachfolgend dem analytischen Verfahren unterzogen. Durch die feine und systematische Abstufung der Konzentration in den Tropfen können so aus einer Einzelprobe mit einem Volumen von nur 200 µl viele tausend Einzeltests für die Vermessung von Dosis-Wirkungs-Kennlinien generiert werden.

Für die Erforschung der biologischen Aktivität neuer Wirkstoffe, aber auch der Wirkmechanismen bekannter Stoffe, besitzt dieser Ansatz ein herausragendes Potenzial. Vorteile ergeben sich auch für das Hochdurchsatz-Screening nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen. Hierfür wird eine Probe mit unbekannten Mikroorganismen, die zum Beispiel aus Erdproben gewonnen wird, so in Tropfen verteilt, dass jeder Tropfen mit nur einem Keim beimpft ist. Nach Inkubation wird ein sogenannter Reporter-Mikroorganismus zugesetzt. Wird dieser in seinem Wachstum gehemmt, ist davon auszugehen, dass in diesem Tropfen eine antimikrobiell aktive Substanz gebildet wurde. Nach Gewinnung des Tropfens kann dann der Stamm auf Agarplatten überimpft und für weitere Untersuchungen genutzt werden.

COMPAMED.de: Wie nutzen Sie optische Technologien bei der Auswertung?

Henkel: Als schnelle, berührungs- und zerstörungsfreie Messverfahren bieten optische Detektionstechniken eine breite Palette von Methoden für das Auslesen von Informationen aus Lab-on-a-Chip Systemen. Spektrale Bildgebung in Kombination mit automatisierter Bildverarbeitung bildet hierfür die Grundlage. Ergänzend werden spektroskopische Verfahren genutzt. Hier bietet insbesondere die Raman- Spektroskopie aufgrund der hohen Informationsdichte der gewonnenen Spektren und der Anwendbarkeit auf wässrige Probelösungen völlig neue Möglichkeiten.

COMPAMED.de: Was sind Ansprüche an Material und Konstruktion Ihrer Chips?

Henkel: Generell werden die Chipsysteme aufgabenspezifisch für einen vom Anwender vorgegebenen Verfahrensablauf entwickelt und präpariert. Dabei gibt der zukünftige Anwender auch die Materialeigenschaften vor. Für spektroskopische Detektionsverfahren werden die Bauelemente aus optisch hochwertigen Gläsern beziehungsweise Quarzglas präpariert. Disposables können mit Verfahren der Massenfertigung, zum Beispiel dem Herstellungsverfahren von CD-ROMs und DVDs, kostengünstig und in hohen Stückzahlen präpariert und bereitgestellt werden.
Foto: Arbeitsplatz

"Ähnlich dem in der Mikroelektronik genutzten Verfahren der Electronic-Design-Automation wird hier das Zielsystem zunächst als Simulationsmodell entworfen und in-silico evaluiert": Die Erprobung/Optimierung eines Systems wird dank Simulation auf wenige Sekunden verkürzt; © panthermedia.net/orcearo

COMPAMED.de: Welche Anforderungen haben Anwender aus der (bio-)medizinischen Forschung an Ihre Chip-Systeme?

Henkel: Die größte Herausforderung ergibt sich aus den Wünschen der zukünftigen Anwender nach kurzen Entwicklungs- und Bereitstellungszeiten. Dem stehen der zeitaufwendige Erstentwurf sowie die technologisch aufwendige Fertigung mit Verfahren der Mikrosystemtechnik entgegen. Eine iterative Design-Optimierung mit mehreren Optimierungszyklen stößt mitunter an die Grenzen der Geduld der Anwender.

Als Lösungsansatz verfolgen wir Strategien zum interaktiven, modellgestützten Entwurf integrierter Lab-on-a-Chip Systeme. Ähnlich dem in der Mikroelektronik genutzten Verfahren der Electronic-Design-Automation wird hier das Zielsystem zunächst als Simulationsmodell entworfen und in-silico evaluiert.

Mit der in unserer Gruppe entwickelten Simulationssoftware dauert eine komplette Systemsimulation für ein tropfenbasiertes Lab-on-a-Chip-System nur wenige Sekunden. Man kann also mit dem Anwender bereits im Vorfeld der Umsetzung eines Projektes gemeinsam und interaktiv das Zielsystem soweit optimieren, dass es seinen Vorgaben entspricht. Von diesem Ansatz versprechen wir uns eine deutliche Verkürzung der Entwicklungs- und Bereitstellungszeiten und eine Verringerung des Entwicklungsrisikos. Voraussetzung für die Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist die Verfügbarkeit mathematischer Kennlinienmodelle für die zur Anwendung kommenden mikrofluidischen Funktionselemente. Deren Erforschung bildet einen Schwerpunkt unserer gundlagenwissenschaflichen Aktivitäten.

COMPAMED.de: Sehen Sie, was die Entwicklung und Konstruktion von Chips für (bio-)medizinische Zwecke angeht, bestimmte Trends, die sich durchsetzen werden?

Henkel: Die Vielfalt der technologischen Ansätze für die Chip-Präparation, die Vielfalt der Möglichkeiten der Mikrofluidik sowie die Breite der Anwendungsszenarien bietet Raum für die Etablierung unterschiedlichster mikrofluidischer Plattformen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen. Zu nennen sind hier neben der tropfenbasierten Mikrofluidik die zentrifugale Mikrofluidik, die Lateral Flow Assays, DNA und Protein-Mikroarray-Technologie, Plattformen der Mikroreaktionstechnik oder auch die Möglichkeiten, welche sich aus der Anwendung von Rapid-Prototyping-Verfahren wie zum Beispiel 3D-Drucken für die schnelle Präparation von Prototypen von Lab-on-a-Chip-Bauelementen ergeben. Je nach Anforderungsprofil gilt es, im Vorfeld der Chipentwicklung die für die jeweilige Aufgabenstellung optimal geeignete Plattform zu identifizieren.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Timo Roth.
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