Mikrotechnik schafft neue Diagnosemöglichkeiten

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1 Mikrotechnik schafft neue Diagnosemöglichkeiten Dr. Klaus Stefan Drese Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH IMM - 1

2 Typische Größen / Längenskalen Mt. Everest Eiffel Tower Eiffelturm Mount Everest Earth Erde Light Year Lichtjahr m Atom H-atom Virus Bakterie Haar Mensch Virus Bacteria Hair Man m Nano- Technik Nanodevices MEMS Mikro- Technik Typical man-made Devices Alltägliche Dinge IMM - 2

3 Längenskalen Wasserhahn tropft nicht Wasserhahn tropft nm µm mm m km Oberflächenkraft Volumenkraft IMM - 3

4 Geschichte der Mikrofluidik in kurz Nano-fluidics cell-chips nano enhanced chips full µ-lab µ-tas for chemical analysis Printer Heads Dispenser (HTS) lateral Flow Glucose Tests Sepsis-Analysis Chip Cancer Chip for Gynaecologist µ-tas for bio hazer detection Quick-lab (Siemens): NA-Analysis Nucleic Acid Analysis Chip for SPN magnetic immunochip (Micro webfab; Phillips) Inhaler (Drug delivery) (Microparts) nanolitre Coriolis mass-flow meter (MEMS) µ-hplc i-stat: electrochemical POC µ-arrays µ-gc POC for cardiac markers µ-pump Capillary Electrophoresis IMM - 4

5 Vorteile der Mikrofluidik: Strömungen sind voraussagbar Berechnung Experiment Experiment Simulation IMM - 5

6 Vorteile der Mikrofluidik: Schnelles Mischen Berechnung IMM, 2011 Transfer Café, , Mainz IMM - 6

7 Vorteile der Mikrofluidik: Schneller Wärmetransport Die Geschwindigkeit bei der Vervielfältigung von Nukleinsäuren ist wärmetransportabhängig. Typische Zeiten: 1h Bewegen der Flüssigkeit durch vorgeheizte Mikrokanäle: Erfolgreiche Nukleinsäure Vervielfältigung in 200 s = 18 mal schneller DNA 372 Primer IMM - 7

8 Vorteile der Mikrofluidik Parallelisierung - 0,25 µg Carbonic Anhydrase (MW 29 kda) Weniger Abfall Reduzierte Kosten + 0,25 µg Myoglobin horse (MW 18 kda) Automatisierung IMM - 8

9 Vorteile der Mikrofluidik: Neue Effekte Kapillarkräfte: IMM - 9

10 Vorteile der Mikrofluidik: Neue Effekte Bewegen mit elektrischen Kräften: Electrowetting IMM - 10

11 Vorteile der Mikrofluidik: Neue Effekte Bewegen mit magnetischen Kräften: Ferrofluidics IMM - 11

12 Vorteile der Mikrofluidik: Neue Effekte Bewegen mit Schall: Surface accustic Waves (SAW) (Advalytics) IMM - 12

13 Vorteile der Mikrofluidik: Neue Effekte Teilchen manipulieren: Dielectrophoresis IMM - 13

14 Beispiel aus der Mikrofluidik IMM - 14

15 Blutanalytik Kommerzielle Beispiele I-stat (Abbott): (Blutgase, Elektrolyte, ) Accu check (Roche): (Blutzucker) DrugTest 5000 Analyzer (Dräger) (Opiate, Kokain, ) IMM - 17

16 Blutanalytik Blutgase Elektrolyte Metabolite Immunoassays Filter Abmessstruktur 2,3 µl IMM - 18

17 Blutanalytik Fluss über 100µm Töpfchen IMM - 19

18 Blutanalytik (Krebs) IMM - 20

19 Infektionsdiagnostik - Felder für Mikrofluidik Point Of Care Infektionen Krebs Pharma Notaufnahme ++ -? Operationsraum Kreissaal ++ -? Kleine Krankenhäuser ++ +? Niedergelassene Ärzte + ++? Entwicklungsländer Source: EVS Study and QIAGEN Interviews 2006 IMM - 21

20 System für die Infektionsdiagnostik Probe: Nasopharyngeal Abstrich 1ml Probe Zellaufschluss DNA/RNA Aufreinigung Vervielfältigung Nachweis Instrument Chip Reagenzien IMM - 22

21 Bedienung IMM - 23

22 LiquiChip signal [MFI] Ergebnisse RT-PCR Volumen Vervielfältigung Reagentien Stormbreaker 120µl 2tube format (1µl of RT- PCR1 as template in PCR2) getrocknet ResPlexII Kit 10µl 1tube format (50µl Rxn) flüssig AmpCheck ADV Zeptometrix Reference NTC Stormbreaker IMM - 24

23 Krebsdiagnostik 6,93 Milliarden Menschen leben auf der Erde 1ml Blut enthält 5 Milliarden Zellen IMM - 25

24 Krebsdiagnostik Aber woher wussten die Amerikaner, dass es Osama bin Laden ist? So sicher ist der DNA-Test Die USA sind sich sicher: Zu 99,9 Prozent haben sie tatsächlich Osama bin Laden getötet. Ein Gentest hat angeblich den Beweis geliefert. IMM - 26

25 Krebsdiagnostik Wie fängt man 1 Person? Viele Sicherheitskräfte (ungefähr 0,3% der Bevölkerung sind Polizisten (USA, D, )) Wie fängt man 1 Krebszelle? Viele magnetische Teilchen (ungefähr 0,1% der Anzahl der Zellen) IMM - 27

26 Zirkulierende Tumorzellen 1-2 Zellen pro 1 ml Blut Der Nachweis soll genutzt werden für Prognose Therapie-Auswahl und Begleitung Überwachung nach erfolgreicher Behandlung IMM - 28

27 Zirkulierende Tumorzellen 7,5 ml Blut (7-15 Zellen) Abfall Waschlösung Zellisolation Zellaufschluss Messung selektive DNA Vervielfältigung IMM - 29

28 Krebsdiagnostik: Das Fangen der Zellen Partikel Blutzellen Krebszellen Partikel-Zell- Komplexe IMM - 30

29 Ergebnisse RT/prePCR auf Chip (RNA template) Ligation/PCR auf Chip (cdna (chip) template) Positive Chip1 Chip2 Positive Chip1 Chip2 IMM - 31

30 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Klaus Stefan Drese Tel: Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH Carl-Zeiss-Str Mainz IMM - 32

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