KODIAK

Komponenten und Module für die verbesserte optische Diagnostik

Lab-on-Chips (LOC) integrieren verschiedene labordiagnostische Verfahren zur Probenaufbereitung und -analyse auf einem Chip und können Patientenproben automatisiert verarbeiten und auswerten. Die Einwegkartuschen sind häufig nicht größer als eine Kreditkarte, deren Geräteplattformen klein und somit optimal für die Diagnose oder Erstversorgung in Arztpraxen oder allgemein für Point-of-Care-Diagnostik geeignet sind. Diagnostische Ergebnisse können dadurch kostengünstiger, schneller und früher als die herkömmliche Analyse in einem medizinischen Labor zur Verfügung gestellt werden.

Hintergrund des Projekts

In dem Vorhaben KODIAK sollen elektronische, optische und fluidische Komponenten und zugehörige Integrationstechniken entwickelt werden, die die LOC-basierte Point-of-Care-Diagnostik für weitere Anwendungsfälle erschließt. Eine beispielhafte medizinische Anwendung, an der die Eignung der technischen Projektergebnisse demonstriert werden soll und die die Entwicklung wesentlich treibt, ist das Zytokin-Freisetzungssyndrom (cytokine release syndrome, CRS). Es tritt als schwerwiegende Nebenwirkung bei einer Vielzahl von Erkrankungen und Therapien auf, wie z.B. Immunotherapie, Graft-versus-Host-Disease, Sepsis und Infektionserkrankungen (z.B. Covid-19) und endet häufig tödlich. CRS muss daher schnellstmöglich erkannt und therapiert werden. Derzeitig erfolgt die Diagnostik symptomatisch (= zeitverzögert und unspezifisch) und über Bluttests (= invasiv, keine Online-Überwachung möglich).

Um eine schnelle Analyse des CRS zu gewährleisten, müssen verschiedene Biomarker im Blut, die typisch für eine Entzündungsreaktion sind, schnell und hochsensitiv nachgewiesen werden. Dies geschieht auf einem mikrofluidischen Chip, auf dem Fluoreszenz- oder Lumineszenz-basierte Assays nachgewiesen und quantifiziert werden. Von zentraler Bedeutung für den Anwender ist der Zeitgewinn, der durch den einfacheren homogenen Assay realisierbar wird.

Insgesamt sechs Partner der Hochtechnologie aus Thüringen arbeiten in dem Projekt zusammen, davon drei Industriebetriebe (X-FAB Global Services GmbH, microfluidic ChipShop GmbH, Lucas Instruments GmbH) und drei Forschungsinstitute (Fraunhofer-Zentrum MEOS, IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH). Die Arbeiten werden durch Fraunhofer koordiniert.

Projektziele

Das Projekt hat als Ziel, folgende biomedizinischen Komponenten für die frühzeitige Entdeckung des Zytokin-Freisetzungssyndroms zu entwickeln:

SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) mit hoher Empfindlichkeit zur optischen Detektion (verantwortlich: IMMS und X-FAB)
Optimierte mikrofluidische Komponenten, inklusive Verfahren für Zu- und Abfuhr der Materialien (verantwortlich: microfluidic ChipShop)
Assay zur Erkennung des Zytokin-Freisetzungssyndroms (verantwortlich: Fraunhofer MEOS)

Die Integration der SPAD-Detektoren in fluidische Umgebungen liegt in der Verantwortung von CiS.

Projektumsetzung

Abschließend entsteht unter Federführung von Lucas Instruments ein Demo-System, das erstmalig die Möglichkeit einer CRS-Detektion mittels Lumineszenz auf Lab-Chip-Basis ermöglicht. Durch Verzicht auf Beleuchtungsquellen etc. kann eine sehr kompakte Bauweise realisiert werden, so dass eine Point-of-Care-Diagnostik möglich wird. Die biomedizinische Erprobung und Validierung erfolgt durch Fraunhofer MEOS.

Weiteres Vorgehen / Ausblick

Die Projektziele gehen über die konkrete Anwendung der frühzeitigen Erkennung von CRS hinaus. Vielmehr sollen die entwickelten Komponenten, Module und Verfahren sowie benötigte Integrationsverfahren auch für andere Anwendungsfälle und optische Diagnostik-Verfahren einsetzbar sein. Die Ergebnisse können dann dem Projekt nachgelagert von interessierten Industriepartnern für weitere innovative Diagnostik-Produkte genutzt werden.