Mikrofluidik neue Anwendungen in Analytik und Diagnostik

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1 Mikrofluidik neue Anwendungen in Analytik und Diagnostik Frank F. Bier Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Institutsteil Potsdam und Universität Potsdam, Institut für Biochemie und Biologie

2 Anwendungsfelder von Analytik und Diagnostik Umwelt Landwirtschaft Lebensmittel Biotechnologie Pharma Lifestyle Medizin Mikrofluidik, nicht nur für kleine Volumen

3 Potenziale der Mikrofluidik in Biotechnologie und Medizin Reaktions- und Reaktortechnik Zellhandling und Manipulation Zellkultur, Zelllagerung Bioanalytik, Diagnostik Nanobiotechnologie Übertragung von Batchprozessen in kleine Kompartimente

4 Reaktions- und Reaktortechnik Wege der Miniaturisierung a) Stainless steel microreactor system by Ehrfeld Mikrotechnik; b) Glass microreactor made by Haswell; c) Stainless steel microreactor of the CYTOSL Lab system; d) Silicon-based microreactor by Jensen; e) Glass microreactor of the AFRICA-System. aus: K. Geyer, et al., Chem. Eur. J. 2006, 12,

5 Potenziale der Mikrofluidik in der Reaktionstechnik kleines Reaktionsvolumen kurze Reaktionszeiten hohe Temperaturen mgl. hohe Drücke mgl. explosive Intermediate Lösungsmittel-Minimierung große Reinheit hohe Ausbeuten Biotech: Einige g kg bilden die Jahresproduktion eine MST Aufgabe D.M. Ratner, E.R. Murphy, M. Jhunjhunwala, D.A. Snyder, K.F. Jensen and P.H. Seeberger, Chem. Commun., 2005,

6 Potenziale der Mikrofluidik in der Biotechnologie Zellhandling und Manipulation Stand der Technik: Invasive Manipulation von Zellen Mechanischer Stress Enzymatische Behandlung Mikropipetten Oberflächenkultur Suspensionskultur

7 Das Beispiel Stammzellen: Schonender Umgang erforderlich Herkunft der Stammzelle embryonic fetal adult Einzelzellembryo 3-Tage-Embryo 5-7 Tage-Embryo 4 Wochen-Embryo 6 Wochen-Embryo Infant Adulter Organismus Embryonale Stammzellen Primordiale Keimzellen Adulte Stammzellen Ansatz: Entwicklung physiologischer Handhabungssysteme

8 Alternativen für die medizinische Biotechnologie: Die sanfte Zellmanipulation Drei kombinierbare Kräfte: Käfigentwicklung: optische Kraft dielektrische Kraft akustische Kraft 1 µm cages 40 µm Bio-lab auf dem Chip Nano-cages für Bakterien, Viren und Moleküle Kombinatorische Cytologie 40 µm Evolutionäre Biotechnologie

9 Zellrotation und Positionierung im elektrischen Feldkäfig 15 µm Einzelne Zellen: Charakterisierung Manipulation Sortierung IBMT, Abt. Zelluläre Biotechnologie & Biochips

10 Feldkäfige lassen sich leicht miniaturisieren Particles Cells Viruses Single Molecules 50 µm to 5 cm 30 nm to 1 µm 1 to 50 µm several nm

11 Nanostrukturierte Mikrocarrier in Mikrosystemen: Zellwachstum auf funktionalisierten Oberflächen und magnetische Bewegung Zentraleinheit mit Dockstationen (Mikrokanalsysteme von 20 cm bis 2m Durchmesser!) Mikrocarrier- Kultivierungseinheit Speichereinheit CPU

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13 Potentiale der Mikrofluidik in der Biotechnologie Zellkultur, Zelllagerung Stand der Technik: Massenhaltung ungewollte Selektion unkontrollierte Lagerung Oberflächenkultur Suspensionskultu r

14 Zellkultur und Zelllagerung mit mikrofluidischen Systemen Mikrosysteme liefern bessere Versorgung der Zellen, z.b. schnellere Medienwechsel durch kleine Volumen große Oberflächen mehr adhärentes Wachstum bessere Inspektion Plattform für Zelltests (Pharmaforschung) MicCell -device (Gesim GmbH, Dresden) Chemotaxistest A. Renner, IBMT

15 Problem der Mikrofluidik: Bewegung Kapillarkräfte Mikropumpen oder äußere Pumpen Verbindungen sind Schwachstellen

16 Mikropumpen neue Prinzpien LabDisk-Plattform des HSG-IMIT Zentrifugalkräfte steuern den Fluß

17 Mikropumpen neue Prinzpien Acuros GmbH Osmotische Pumpen < Nanoliter/min

18 Fraunhofer ivd-plattform Mikrofluidik: Aktive Pumpen, elektrische Ansteuerung

19 Beispiel: Medizinische in vitro Diagnostik Hintergrund und Ziel aging mobility & migration emergency infectious disease home care Gesellschaftlicher Wandel: Demographie, Mobilität, neue Medien, Wandel des Gesundheitssystems: Von der Krankenversorgung zum Gesundheitsmanagement Anforderungen an die Diagnostik: länger, beweglicher, früher, häufiger Forderung: Gesundheit ist Menschenrecht Gesundheit muss bezahlbar bleiben Konsequenz: neue Produkte auf Basis neuer Technologien

20 Potentiale der Mikrofluidik in. Bioanalytik, Diagnostik

21 Lab-on-the-Chip Zum Beispiel: Das LabChip System von Agilent Vorteil: hohe Integration, geringes Probenvolumen

22 Mikrofluidik in Silizium: BioMEMS z.b. der PCR-Chip von ST Integration der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) zur Vermehrung von DNA-Molekülen in 75 C 55 C 95 C Die Aufgabe: Zyklischer Ablauf eines Temperaturprofils Aufschmelzen (95 C) Primer Annealing (55 C) Synthese durch Polymerase (75 C) out ST Microelectronics,

23 Multi-Parameter-Analytik Trends Bestimmung vieler biochemischer und biologischer Parameter gleichzeitig aus einer einzelnen Probe Genes, Transkripte, Proteine, Metabolite > Analyte, die mittels biochemischer Nachweise ermittelt werden aus dem Forschungslabor in die Routinediagnostik

24 State of the Art in Point-of-Care Testing

25 Autonome Biosensoren für die personalisierte Medizin Die technologische Herausforderung Biochip Sampling Sample Preparation Amplification/ Labeling Binding/ Catalysis Transduction Data Amplification/ A/D Transfer Data- Analysis Integration LIMS/HIMS individual Health record Biosensor Lab-on-Chip Autonomous Biosensor Systems Integration

26 Ziel: Integration aller Prozessschritte Probenvorbereitung PCR, biochem. Verstärkung Label (Fluoreszenzmarkierung) Synthese der Binder und Sonden Spotten oder Drucken, Immobilisierung Hybridisierung oder Inkubation Transducer, Scanner, Sensor Mikrofluidik Packaging Datenaufnahme und -verarbeitung Datenanalyse Datentransfer (LIMS, Patientenakte)

27 Konzept der Mikrofluidik mit integrierten Komponenten Passive Komponenten: Mikrofluidische Kanäle (Hydrophil, Hydrophob) Mikrofluidische Reservoire Aktive Komponenten: Mikrofluidische Akuatoren unter Kontrolle (Pumpen) Material-integrierte Aktuatorik einschließlich Temperatur Kontrolle Technische Rahmendaten: Scheckkarten-Format (~1/2 MTP) 2 20 µl Probenvolumen, max. 500 µl Systemvolumen Polymerbasis (optische Qualität, Spritzgußfähig oder R2R) bis zu 8 Reagenzien on Chip (Dispensiertechnik), nur elektronische Schnittstelle zum Reader Detektionsfenster 9 mm x 18 mm, Detektion elektronisch oder optisch, andere Transducer möglich temperaturstabil, heizbar, regelbar (bis 95 C)

28 ivd-platform Biomarker Modulare Plattform für Entwicklung und Produktion trennbare Prozessschritte Kostenkalkulation für jeden Schritt Assay (Laborablauf) Reagenzien Herstellung Detektorbau Vorbereitung Software LoC-Entwurf Basiskörper Kontaktierung Deckel in-chip Chemikalien Sensorintegration Packaging Auswertung Product Abformtechnik Oberflächenbehandlung Aktive Komponenten Blocken Sensorfertigung integrierte Elektronik Spotting ivd-platform

29 Multiparameter Analyse: ivd-plattform All inclusive : vom Konzept bis zum Analysegerät Vollständige Wertschöpfungskette von der Produktionslinie bis zur Anwendung Integriertres Konzept von der Entwicklung bis zur Produktion value chain Modelling (FEC) Design & Construction Rapid Prototyping Biosensors System Development

30 Fraunhofer ivd-plattform Mikrofluidik: Passive Trennung für beliebige Sensoren oder Transducer: Beispiele: TIRF (Optischer Sensor) Mikroelektroden A.Brandenburg,. J Optics Brandenburg A, et al Sens Act B 139, Kraus S, et al. (2010) Biosens. Bioelectron.

31 Fraunhofer ivd-plattform Demonstratoren der Produktionslinie Die selben Prozesse und Anlagen für Entwicklung und Produktion Processing bench with band conveyor Basis modul Processing unit as island Production line optionally extendible Plug & Play e.g. for assembly line A. Teichert, B Burghard, IPA 2010

32 Mikrofluidik mit Mikroelektronik: Mikrosysteme miniaturisierte Biosensoren > Implantate Verbindung mit Telekommunikation Bindung/ Katalyse Transduktion Verstärkung/ Wandlung/ Übertragung Biosensor

33 Neue Produkte auf Basis vorhandener Technologien Diagnose

34 Mobile Diagnostik-Systeme Probenahme Probenvorbereitung Markierung Bindung/ Katalyse Patientenakte Daten- Wandlung und Transfer Daten- Analyse Integration LIMS/KIS Transduktion Verstärkung Biosensor Lab-on-Chip Autonomous Biosensor Systems Integration

35 Chancen für neue Produkte und neue Märkte Diagnose Quelle: RKI, Grippemonitor

36 Zusammenfassung und Ausblick Lab-on-Chip Systeme verlassen jetzt das Labor: Point of Care Test (POCT) Nächste Entwicklungsstufe: Die Verbindung der POCT mit Telekommunikation Danach: Autonome Biosensoren Zukunft: Integration auf molekularem Level: mit Sensor-Aktuator-Molekülen

37 Dank Eva Ehrentreich-Förster, Nenad Gajovic-Eichelmann, Carsten Teller, Sebastian Kersting, Jörg Henkel, Markus von Nickisch-Rosenegk, Ralph Hölzel, Kai Wunderlich, Magnus Jäger, Edda Reiß, Michael Breitenstein, Soeren Schumacher, Heiko Andresen*, Stefan Kubick, Doreen Wüstenhagen, Jutta Ettlinger, Alexander Christmann, Xenia Marschan*, Peter M. Schmidt*, Dennie Andresen*, Matthias Griessner, Jenny Steffen*, Frank Kleinjung*, Michaela Schellhase, Dirk Michel, Thomas Nagel*, Claus Duschl, Michael Kirschbaum, Bettina Junker, Christine Mißler*, Ines Zerbe, Kathi Großmann, Rothin Strehlow, Christian Heise*, Martina Oubry, André Lehmann. Michaela Müller, Simone Aubele, Günther Marschner, Stefanie Arnold, Sebastian Hoppe, Carsten Rapsch, H. Schlittkus, Christina Schröder, Oliver Groß, Andreas Lankenau*, Michael Franke, Stephanie Schwarz, Claudia Harms-Krumholz, Christiane Haupt, Carsten Pohl, Aylin Grosse, Bianca Herbst, Umporn Attakomrattanakul, Narajan Maadabossi, Jörg Nestler, Thomas Otto, ENAS, Eric Nebling, ISiT, Albrecht Brandenburg, IPM, Andrzje Grzesiak, Andreas Teichert, IPA, Kai Sohn, Achim Weber, IGB, F.W. Scheller, U. Wollenberger, Univ. Potsdam, Hugh Fan, Univ. Florida, Miami, USA, D. Zahn, BST BioSensorTechnologies GmbH, Berlin, B. Danielsson, U Lund, S, M. Willander, N. Calander, Chalmers, Gothenburg, S, P.E. Nielsen, Univ. Copenhagen, DK, K. Misiakos, S. Kakabakos, CRNS Demokritos, GR, V.A. Erdmann, J. Kurreck, FU Berlin, C. Niemeyer, Univ. Dortmund, H.-R. Glatt, W. Meinl, DIfE, Bergholz-Rehbrücke, M. Bienert, A. Ehrlich, FMP Berlin-Buch, E. Matthes, A. Lehmann, MDC Berlin- Buch, H. Heidecke, Celltrend GmbH, Luckenwalde, M. Kuhn, congen GmbH, Berlin-Buch, Fred Lisdat, TH Support Wildau, A. Warsinke; UP, Silke Leimkühler, UP, Robert Seckler, UP, Wolfgang Schumann, RUB, Bochum, Ursula Bilitewski, HZI, Braunschweig, Sterphan Bereswil, Charité Berlin, Peter Seeberger, MPI-KG, Potsdam, Arif Malik, Microdiscovery, Robert Lange, Laborverbund Bernau, Jörg Hollidt, in.vent, Günter Peine, ZMDB

38 Summary Thank you for your attention! Biosensors

39 End