09.05.2022 - University of Minnesota

Innovation öffnet die Tür für schnellere und erschwinglichere Diagnosetests für zu Hause

Forscher arbeiten mit Start-up GRIP Molecular Technologies zusammen

Ein Forschungsteam der University of Minnesota Twin Cities hat einen neuen Mikrofluidik-Chip für die Diagnose von Krankheiten entwickelt, der nur eine minimale Anzahl von Komponenten benötigt und drahtlos über ein Smartphone betrieben werden kann. Die Innovation öffnet die Tür für schnellere und erschwinglichere medizinische Tests für zu Hause.

Die Arbeit der Forscher wurde in Nature Communications veröffentlicht. Die Forscher arbeiten auch daran, die Technologie zu vermarkten.

Die Mikrofluidik befasst sich mit der Untersuchung und Manipulation von Flüssigkeiten in sehr kleinem Maßstab. Eine der populärsten Anwendungen auf diesem Gebiet ist die Entwicklung der "Lab-on-a-Chip"-Technologie, d. h. die Entwicklung von Geräten, mit denen Krankheiten anhand einer sehr kleinen biologischen Probe, z. B. Blut oder Urin, diagnostiziert werden können.

Wissenschaftler verfügen bereits über tragbare Geräte für die Diagnose einiger Krankheiten - zum Beispiel schnelle COVID-19-Antigentests. Ein großes Hindernis für die Entwicklung anspruchsvollerer Diagnosechips, die beispielsweise den spezifischen COVID-19-Stamm identifizieren oder Biomarker wie Glukose oder Cholesterin messen könnten, ist jedoch die Tatsache, dass sie so viele bewegliche Teile benötigen.

Chips wie diese würden Materialien zur Versiegelung der Flüssigkeit im Inneren, Pumpen und Schläuche zur Manipulation der Flüssigkeit sowie Drähte zur Aktivierung dieser Pumpen erfordern - alles Materialien, die sich nur schwer auf Mikroebene verkleinern lassen. Forschern der University of Minnesota Twin Cities ist es gelungen, ein mikrofluidisches Gerät zu entwickeln, das ohne all diese sperrigen Komponenten funktioniert.

"Forscher waren bei der Skalierung von elektronischen Geräten sehr erfolgreich, aber die Fähigkeit, mit flüssigen Proben umzugehen, hat damit nicht Schritt gehalten", sagt Sang-Hyun Oh, Professor am Fachbereich für Elektro- und Computertechnik der University of Minnesota Twin Cities und Hauptautor der Studie. "Es ist keine Übertreibung, dass der Aufbau eines modernen mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-Systems sehr arbeitsintensiv ist. Unser Gedanke war: Können wir das Abdeckmaterial, die Drähte und die Pumpen ganz weglassen und es einfach machen?"

Bei vielen Lab-on-a-Chip-Technologien werden Flüssigkeitströpfchen über einen Mikrochip bewegt, um die Viruserreger oder Bakterien in der Probe nachzuweisen. Die Forscher der University of Minnesota ließen sich bei ihrer Lösung von einem merkwürdigen Phänomen inspirieren, das Weintrinkern bekannt sein dürfte - den "Beinen" oder langen Tröpfchen, die sich aufgrund der Oberflächenspannung, die durch die Verdunstung von Alkohol entsteht, im Inneren einer Weinflasche bilden.

Mithilfe einer Technik, die Anfang der 2010er Jahre von Ohs Labor entwickelt wurde, platzierten die Forscher winzige Elektroden sehr dicht beieinander auf einem 2 cm x 2 cm großen Chip, die starke elektrische Felder erzeugen, die die Tröpfchen über den Chip ziehen und ein ähnliches "Bein" aus Flüssigkeit erzeugen, um die darin enthaltenen Moleküle nachzuweisen.

Da die Elektroden so dicht beieinander liegen (mit nur 10 Nanometern Abstand), ist das entstehende elektrische Feld so stark, dass der Chip nur weniger als ein Volt Strom benötigt, um zu funktionieren. Diese unglaublich niedrige Spannung ermöglichte es den Forschern, den Diagnosechip mit Nahfeldkommunikationssignalen von einem Smartphone zu aktivieren, der gleichen Technologie, die für das kontaktlose Bezahlen in Geschäften verwendet wird.

Dies ist das erste Mal, dass Forscher ein Smartphone zur drahtlosen Aktivierung von schmalen Kanälen ohne mikrofluidische Strukturen verwenden konnten, was den Weg für billigere, leichter zugängliche Diagnosegeräte für den Hausgebrauch ebnet.

"Dies ist ein sehr aufregendes, neues Konzept", sagte Christopher Ertsgaard, Hauptautor der Studie und kürzlicher CSE-Absolvent (ECE Ph.D. '20). "Während dieser Pandemie hat, glaube ich, jeder erkannt, wie wichtig eine schnelle Diagnostik am Ort der Behandlung zu Hause ist. Und es gibt bereits Technologien, aber wir brauchen schnellere und empfindlichere Verfahren. Durch Skalierung und Fertigung in hoher Dichte können wir diese hochentwickelten Technologien zu erschwinglichen Kosten in die Heimdiagnostik einbringen."

Das Labor von Oh arbeitet mit dem Start-up-Unternehmen GRIP Molecular Technologies aus Minnesota zusammen, das Geräte für die Heimdiagnose herstellt, um die Mikrochip-Plattform zu vermarkten. Der Chip ist für ein breites Anwendungsspektrum zum Nachweis von Viren, Krankheitserregern, Bakterien und anderen Biomarkern in flüssigen Proben konzipiert.

"Um kommerziell erfolgreich zu sein, müssen In-Home-Diagnosegeräte kostengünstig und einfach zu bedienen sein", sagte Bruce Batten, Gründer und Präsident von GRIP Molecular Technologies. "Die Niederspannungsbewegung von Flüssigkeiten, wie sie das Team von Professor Oh erreicht hat, ermöglicht es uns, beide Anforderungen zu erfüllen. GRIP hatte das Glück, bei der Entwicklung unserer Technologieplattform mit der Universität von Minnesota zusammenzuarbeiten. Die Verknüpfung von Grundlagen- und translationaler Forschung ist entscheidend für die Entwicklung einer Pipeline innovativer, umwälzender Produkte."

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