HydroChip2

Das Projekt HydroChip beschäftigt sich mit der Realisierung einer R2R hergestellter, funktioneller Mikrofluidik für die Identifikation von Paradontitis Keimen im „Lab-on-Foil“ Format.

Für die Biofunktionalisierung der Mikrofluidik-Strukturen mit DNA-Fängermolekülen sowie die Herstellung von Reagenzien-Reservoirs mit Hydrogeltinten werden R2R Mikrospotting-Prozeduren und neuen Tintenformulierungen entwickelt. Um den Lyseprozess wesentlich vereinfachen, werden unterschiedliche Mixturen von ionischen Flüssigkeiten für die Realisierung einer On-Chip-Lyse hergestellt und getestet.

Über die Entwicklung neuartiger 3D-strukturierter Nanoelektroden soll die Detektion von ribosomaler Bakterien-RNA im Mikrofluidikkanal mit hoher Sensitivität erreicht werden.

Die Detektion von Nukleinsäuren ermöglicht eine gezielte Identifikation von einer Vielzahl an Pathogenen (Bakterien, Pilze und Viren). Besonders wichtig ist dies bei der Behandlung von Bakterieninfektionen, wie Parodontitis, Racheninfektionen und bakterieller Vaginose. Hier sind eine Vielzahl unterschiedlicher Bakterien für das jeweilige Krankheitsbild verantwortlich und in den meisten Fällen ist es nötig die Medikation auf den jeweiligen Keim abzustimmen. Besteht die Gefahr einer chronischen Erkrankung, ist auch das Überwachen des Therapiefortschritts aus medizinischer Sicht sinnvoll.

Derzeit werden zwar eine Reihe an Diagnosesystemen auf dem Markt angeboten, jedoch verhindert eine komplexe Handhabung, eine lange Analysezeit und ein hoher Anschaffungspreis den flächendeckenden Einsatz dieser Systeme. Dies führt meist zu vorzeitigem, nicht notwendigem, oder falsch gewähltem Verschreiben von Antibiotika. Bleibt die Wirkung des Medikaments aus, wird ein weiterer Arztbesuch nötig, bei dem dann auf die – sofern vorhandenen – Laborergebnisse zurückgegriffen, und eine zweite abgestimmte Medikation verschrieben wird.

In dem Projekt HydroChip nehmen wir uns dieser Probleme an und arbeiten an der Realisierung von folienbasierten Schnelltestsystemen für die Detektion von Leitkeimen der Parodontitis. Um die Ausgangssituation und die Markttauglichkeit dieser Schnelltestsysteme zu erhöhen, sind folgende Schritte geplant: 1) Verringerung der Komplexität der Handhabung durch die Einführung funktioneller Hydrogele mittels Rolle-zu-Rolle (R2R) kompatiblem Mikrospotten, 2) Verringerung der Herstellungskosten durch einen R2R gefertigten mikrofluidischen Chip und 3) Verbesserung der RNA Detektion durch Verwendung optischer und elektrochemischer Methoden unter Einführung von 3D-strukturierten Nanoelektroden.

In Punkt 1) wird im Projekt ein neuer, innovativer Weg beschritten, um Reagenzien im R2R-Prozess in die Mikrofluidik einzubringen. Damit sollen Hydrogelreservoire für a) die Durchführung einer neuartigen Bakterienlyse basierend auf ionischen Flüssigkeiten und b) die Durchführung der Bakterienidentifikation mittels Detektion ribosomaler RNA (rRNA) realisiert werden.

Besonders komplexe Analyseschritte lassen sich so direkt auf dem Detektionschip durchführen, wobei die Integration der Bakterienlyse einen der wichtigsten Entwicklungsschritte darstellt. Dafür wird in diesem Projekt die Anwendbarkeit von ionischen Flüssigkeiten für die Lyse der Parodontitis-Keime in kurzen Zeiträumen (< 5min) und bei niedrigen Temperaturen (RT bis 60°C) untersucht.

Für 2), die R2R basierte Herstellung des mikrofluidischen Chips, wird auf einen UV-NIL Prozess gesetzt, der es erlaubt, hohe Stückzahlen kostengünstig zu fertigen. Die in Schritt 3) angestrebte Verbesserung der rRNA Detektion wird für den Anwendungsfall Parodontitis entwickelt, bei der eine Bakterienbestimmung ohne Amplifikation für 104 cfu/ml bereits gezeigt werden konnte. Um die Detektion noch weiter zu verbessern und eine höhere Keimzahlsensitivität zu erreichen, werden verschiedene Detektionsprinzipien, wie Elektrochemolumineszenz und neuartige elektrochemische Methoden untersucht.

Die Resultate aus den drei geplanten Arbeitsschritten liefern neue Produktions- und Detektionstechnologien, die nicht nur für Parodontitis Anwendung interessant sind, sondern für eine Vielzahl diagnostischer Systeme wesentliche Verbesserungen bringen. Es können somit zwei Hauptmärkte bedient werden: In Vitro Diagnostik und Point-of-Care Systeme. Die daraus resultierenden neuen diagnostischen Möglichkeiten für eine rasche und patientennahe Pathogendetektion haben das große Potential, die Patientengesundheit wesentlich zu verbessern.

▶ Projektbeschreibung FFG Projektdatenbank