Magnetic bead actuated microfluidic immunoassay platform for sensitive detection of biomarkers and pathogens

  • Auf magnetischen Partikeln basierte mikrofluidische Immunoassay-Plattform für den empfindlichen Nachweis von Biomarkern und Krankheitserreger

Gottheil, Raiah; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Labordiagnostik ist ein wesentlicher und unverzichtbarer Bestandteil der modernen Medizin. Große Zentrallabore haben zu deutlichen Verbesserungen in der Gesundheitsversorgung geführt und spielen heute eine wichtige Rolle in der Diagnose und Überwachung der Therapie. Die aktuelle Entwicklung zeigt jedoch einen steigenden Bedarf an patientennaher Labordiagnostik, zum Beispiel in Arztpraxen, Operationssälen, Ambulanzen oder Notaufnahmen. Fortschritte in Nanotechnologie, molekularen Diagnostik, Informationstechnologie und Mikrofluidik ermöglichen intelligent konstruierte, kompakte Produkte, die nun diesen Bedarf decken. Diese mobilen Geräte bieten unmittelbaren Zugang zu einer Reihe von diagnostischen Parametern und helfen damit den medizinischen Verantwortlichen einen Fall schneller zu diagnostizieren und rechtzeitige Entscheidungen über die Therapie zu fällen. Die kommerzielle Verfügbarkeit von kompakten und mobilen Diagnosegeräten führte durch deren weit verbreiteten Einsatz zur wichtingen Entwicklung des so genannten "Point-of-Care Testing" (POCT). In dieser Arbeit wird eine mikrofluidische Plattform für die sensitive und quantitative Erfassung von Analyten für POCT beschrieben. Die Analyte werden durch ein mit magnetischen Mikropartikeln versetztem Fluoreszenz Sandwich-Immunoassay detektiert. Die magnetischen Mikropartikel bilden nicht nur die feste Phase zur Immobilisierung von Fängermolekülen sondern ermöglichen zusätzlich eine aktive Manipulation durch externe Magnetfelder. Anstatt, wie in standard Assays verschiedene Puffer in eine Kammer zu pumpen, wird die feste Phase durch mehrere Kammern bewegt, welche die verschiedenen Puffer enthalten. Dies wird erreicht, indem die Mikropartikel aggregiert und anschließend durch ein Passivventil bewegt werden, die die Kammern voreinander trennt. Nach dem Durchlaufen eines solchen Ventils wird das Mikropartikelaggregat redispergiert und formt eine Art Perlenkette, die durch Anlegen eines rotierenden Magnetfeldes als Mikromixer wirkt. Auf diese Weise werden effiziente, schnelle Inkubations- und Waschschritte ermöglicht. Das Assay System umfasst i) Inkubation der Probe mit Mikropartikeln, ii ) Waschen, iii) Markierung mit Fluoreszenz-markierten Antikörper und iv) Fluoreszenzdetektion. Die Mikrofluidikkartusche wird durch kostengünstigen Mikrospritzguss hergestellt. Die Peripherie besteht aus Magneten, die auf einen computergesteuerten verfahrbahren Tisch montiert werden. Die zwei Assays, welche zur Evaluierung dieses Systems benutzt wurden, dienen dem Nachweise eines Biomarkers (Interleukin -8) beziehungsweise eines viralen Erregers (Hepatitis A -Virus). Die Nachweisgrenze für das Biomarker Assay ist 1,49 pg/ml (0,188 pM) und für das Virus Assay ergab sich ein Wert von 104 Viruspartikel/ml. Das Biomarker-Assay zeigt auf der Plattform die gleiche Sensitivität wie die Referenzmethode (Luminex) und das Virus-Assay erreicht eine deutliche Verbesserung der Sensitivität im Vergleich zur verwendeten Referenz (ELISA). Obwohl für das Biomarker-Assay die Gesamtdauer nicht verringert wurde, konnte durch die Automatisierung des gesamten Ablaufs die Hands-On-Zeit reduziert werden. Der Virus-Test zeigte eine 17,5-fache Steigerung der Sensitivität im Vergleich zur Referenz-Methode und war dreimal schneller.

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