GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik

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Ina Wagner
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1 GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik Neue Potenziale für die Nanotechnologie in der Medizin - Diagnostik und Monitoring Marburg, Dr. Ronald Lehndorff

2 Inhalt Der GMR-Effekt Bisherige Anwendungen Zukünftige Anwendungen BMBF Projekt MRCyte BMBF Projekt BeadPlus 2

3 GMR Effekt Elektronen tragen neben ihrer Ladung noch ein magnetisches Moment, den Spin Der Spin nimmt in einem Magnetfeld einen Wert von +1/2 (Spin-up) oder -1/2 (Spin-down) an In ferromagnetischen Materialien wie Nickel, Eisen, Kobalt und deren Legierungen existieren mehr Elektronen mit Spin-up als mit Spin-down, daher haben sie ein spontanes magnetisches Moment, die Magnetisierung 3

ferromagnetischen Materialien wie Nickel, Eisen, Kobalt und deren Legierungen existieren mehr

4 GMR Effekt Der GMR entsteht an den Grenzflächen magnetischer und metallischer Schichten Parallel ausgerichtete Magnetisierungen Antiparallel ausgerichtete Magnetisierungen niedriger Widerstand hoher Widerstand Streuung der Elektronen ist abhängig vom Spin der Elektronen und der Magnetisierung der Schichten Schichten können (müssen) extrem dünn gewählt werden (1-5 Nanometer) Der GMR ist ein makroskopischer Quanteneffekt 4

Widerstand Streuung der Elektronen ist abhängig vom Spin der Elektronen und der Magnetisierung der

5 GMR Effekt GMR (giant magnetoresistance oder Riesenmagnetowiderstand) Entdeckt 1989 durch Peter Grünberg und Albert Fert Ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physik

6 GMR Effekt GMR (giant magnetoresistance oder Riesenmagnetowiderstand) Entdeckt 1989 durch Peter Grünberg und Albert Fert Ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Physik

7 GMR Effekt Am Tag der Bekanntgabe im Forschungszentrum Jülich 7

8 GMR Effekt Extrem schnelle Kommerzialisierung für Festplattenleseköpfe, getrieben durch IBM (Stuart Parkin), erste IBM Festplatten mit GMR Köpfen 1997 Sprung in Größe der magnetischen Bits durch GMR Sensitec Historie: Fertigungsstandort für Wafer in Mainz ist ehemaliges IBM Festplattenwerk 8

Köpfen 1997 Sprung in Größe der magnetischen Bits durch GMR Sensitec

9 Produkte AMR-, GMR- (und TMR-) Sensoren zur Messung von Winkel, Länge, Position, Magnetfeld und Strom Sensitec ist Teil der LTi-Gruppe aus Lahnau mit Schwerpunkt Antriebs- und Automatisierungstechnik GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik, Ronald Lehndorff 9

LTi-Gruppe aus Lahnau mit Schwerpunkt Antriebs- und

10 BMBF Projekt MRCyte GMR Sensor Auslesen magnetischer Bits <1µm möglich <1µm GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik, Ronald Lehndorff 10

11 BMBF Projekt MRCyte GMR Sensor Auslesen magnetischer Bits <1µm möglich Warum nicht auch deutlich größere, magnetisch markierte Zellen auslesen? GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik, Ronald Lehndorff 11

magnetisch markierte Zellen auslesen? 18.02.

12 BMBF Projekt MRCyte Konsortium unter Führung von Siemens CT (Ideengeber und Endverwertung) Abbildung des gesamten Workflows im Konsortium Unikliniken Erlangen und Mainz Chemicell microfluidic ChipShop, IMM Sensitec Interessante Zellen* Funktionalisierte magnetische Marker** Mikrofluidik GMR-Sensoren *Tumorzellen, Immunzellen, Thrombozyten **EpCAM, CD4, CD61 Elmos Siemens M2-Automation Verstärker ASIC Auswertealgorithmen Messgerät GMR-Sensoren für die Point-of-care Diagnostik, Ronald Lehndorff 12

magnetische Marker** Mikrofluidik GMR-Sensoren *Tumorzellen, Immunzellen, Thrombozyten **EpCAM, CD4, CD61 Elmos Siemens

13 BMBF Projekt MRCyte MRCyte (BMBF project 13N N12020) hat das Potential klinische Zellfunktionstests für die frühe zielgerichtete Therapie radikal zu verändern ( goldene Stunde). Blutabnahme Intensivpatienten Vollblutprobe POC Einzelzell- Funktionstest Verbesserte Resultate Kostenreduktion & verbesserte Patientenresultate Integrierter Workflow in Vollbut 13

Motivation & Ziel für Magnetische Durchflusszytometrie Point-of-care Durchflusszytometer mit integrierter Probenaufbereitung Klinische Probe Keine Verdünnung Inkubation mit

14 Motivation & Ziel für Magnetische Durchflusszytometrie Point-of-care Durchflusszytometer mit integrierter Probenaufbereitung Klinische Probe Keine Verdünnung Inkubation mit superparamagnetischem Label Vollblut kein sheath-flow Großer Dynamikbereich (1-10E4 Zellen/µl) Zellzählung & Funktionserkennung Keine multivariate Analyse von erfahrenem Benutzer (Gating, etc.) 14

superparamagnetischem Label Vollblut kein sheath-flow Großer Dynamikbereich (1-10E4

15 Aktueller Stand Testaufbauten im Labor: Messungen an Beads in Pufferlösung Messungen an Zellen in Pufferlösung Messungen an Beads in Vollblut Messungen an Zellen in Vollblut Optimierung der Label Miniaturisierung Automatisierung des Messvorgangs und der Auswertung 15

Beads in Vollblut Messungen an Zellen in Vollblut Optimierung der

16 Unser Beitrag GMR-Sensorschichten optimiert für den Anwendungsfall A Große Hysterese B Nach Optimierung Passivierung optimiert für geringen Abstand zwischen Zellen und Sensor (70nm) bei gleichzeitiger Beständigkeit gegen korrosives Vollblut A Korrodierte Teststrukturen B Optimierte Passivierung 16

zwischen Zellen und Sensor (70nm) bei gleichzeitiger Beständigkeit gegen

17 Neue Messumgebung Magnetische Durchflusszytometrie erlaubt Erhebung neuer Parameter: Zell-Matrix Interaktionen (alle koagulatorischen und humoralen Faktoren beinhaltet) Zell-Oberflächen Interaktionen Zell-Zell Interaktionen in nahezu in-vivo Bedingungen (Plättchen-Plättchen, Plättchenweiße Blutkörperchen) Lokale Auflösung der Dichte der magnetischen Markierung (Teile der Zelloberfläche in nahem Kontakt zu GMR-Sensor; Homogenität der Markierung) Querschnitt durch MRCyte Chip Laminarer Fluss Sensor Magnetische Kraft Agonist Sensor FACS/Coulter vergleichbare Parameter Mittlerer magnetischer Zelldurchmesser im Vergleich zu meist nur relativer Messung des Zellvolumens bei FACS oder Coulter Mittlere magnetische Markierungsdichte vergleichbar zu mittlerer Fluoreszenzdichte Laminarer Fluss Sensor Magnetische Kraft Sensor 17

Kontakt zu GMR-Sensor; Homogenität der Markierung) Querschnitt durch MRCyte Chip Laminarer Fluss Sensor Magnetische Kraft Agonist Sensor FACS/Coulter vergleichbare Parameter Mittlerer magnetischer

18 Optische Durchflusszytometrie zur Einzelzellanalyse Was man nicht sieht Präanalytik Wartung (Kalibrierung) Durchgehend laufende Instrumente Multivariate Datenauswertung Coulter counter Was man für die Präanalytik benötigt Hämolyse erzeugt systematischen Fehler erfahrene Benutzer Zentrallabor Speziell ausgebildete Mediziner für die Auswertung Klinische Perspektive Obwohl optische Durchflusszytometrie ein Goldstandard ist, ist sie nicht in Routine Workflows integriert Optische Durchflusszytometrie Sheath flow Spezialisiertes Labor 18

erfahrene Benutzer Zentrallabor Speziell ausgebildete Mediziner für die Auswertung Klinische Perspektive Obwohl optische

19 Benchmark FACS BD Canto (Puffer) MRCyte (Vollblut) Unterscheidung von Beads in komplexer Matrix vergleichbar mit optischem Durchflusszytometer FACS Magnetisches Durchflusszytometer FACS benötigt sequentielle Streulichtmessung optimiert auf Beadgröße (Gating 90%) MRCyte Messung mit identischer Einstellung (Gating 90%) Vergleichbares Ergebnis von FACS und MRCyte (Unterscheidung von 3-12 µm Beads) Kaluza Flow Cytometry Analysis

Streulichtmessung optimiert auf Beadgröße (Gating 90%) MRCyte Messung mit identischer Einstellung (Gating

20 Häufigkeit Häufigkeit Test der Aktivierung von Blutplättchen (CD61) MRCyte ausreichend spezifisch für Zellfunktionstest? 30 Citratblut + Aspirin + ADP Citratblut + ADP Plättchendurchmesser Plättchendurchmesser Messung der Blutplättchenfunktion durch verändertes Zellvolumen (100nm Auflösung in Vollblut) 20

30 Citratblut + Aspirin + ADP Citratblut + ADP 25 40 20 15 20 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6

Ziel: Analyse biologischer Flüssigkeiten (Blut, Speichel) mit Hilfe von Antikörpern Anwendung: Sensor zur

21 BMBF Projekt BeadPlus Startrek lebt! BMBF Projekt BeadPlus Bioanalyse auf Basis biologisch beschichteter magnetischer Nanopartikel und GMR-Sensoren Ziel: Analyse biologischer Flüssigkeiten (Blut, Speichel) mit Hilfe von Antikörpern Anwendung: Sensor zur Dichtemessung von bis zu 32 verschiedenen, magnetisch gekennzeichneten Biomolekülen Warum MR? Hohe Empfindlichkeit Niedriger Leistungsverbrauch Kleine Abmessungen Tragbar Point of Care 21

22 Zusammenfassung GMR ist im Industrie- und Automotive-Bereich ausgereift Anwendungen in der medizinischen Diagnostik stehen offen Anpassungen sind notwendig aber möglich Medizinischer Hintergrund und Marktzugang fehlen Sensitec Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 22

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