Dr. Michael Pugia - Minilabor auf einem Chip
Diagnostische Untersuchungen, die heute noch in einem Großlabor durchgeführt werden, werden in Zukunft immer häufiger unmittelbar auf der Station im Krankenhaus, in der Praxis oder in der Apotheke stattfinden. Möglich macht dies die patientennahe Labordiagnostik, das sogenannte Point-of-Care-Testing (POCT): Alle diagnostischen Prozesse finden dann - stark verkleinert - auf einem einzigen Chip Platz. Dr. Michael Pugia von Siemens Healthcare Diagnostics in Elkhart im US-Staat Indiana forscht seit Jahren darüber, wie immer mehr Funktionen auf diesem „Lab-on-a-Chip“ untergebracht werden können.
Viele seiner 203 Erfindungen, aus denen 140 erteilte Einzelpatente und 60 Schutzrechtsfamilien resultieren, fallen in den Bereich der mikrodiagnostischen Systeme. Ein Lab-on-a-Chip enthält alle nötigen Substanzen und Reagenzien in trockener und flüssiger Form sowie Messinstrumente und Signalgeber für die Ergebnisse. „Das Problem ist, dass die Blut- oder Urinprobe nur so groß ist wie ein winziger Tropfen“, erklärt Pugia. Mit dieser sehr kleinen Menge müssen die Ergebnisse genauso exakt ausfallen wie bei den Untersuchungen in Zentrallabors, für die ganze Reagenzgläser der Proben zur Verfügung stehen. „Um die Signale messen zu können, brauchen wir also hoch sensitive Methoden“, sagt der Chemiker Pugia.
Wie viele Erfinder kann Pugia seine Arbeit manchmal vorantreiben, indem er auf bekannte Prinzipien zurückgreift und sie für seine Zwecke anpasst. Vor drei Jahren suchte er nach einer Methode, wie die Probe möglichst präzise abgemessen und in den Chip injiziert werden kann. „Ich kam auf die Idee, eine ähnliche Methode wie beim Tintenstrahldrucker zu verwenden“, erinnert sich Pugia. Es funktionierte nicht nur überraschend gut, sondern erwies sich auch als sehr kostengünstig, weil das Injektionsgerät immer wieder verwendet werden kann.
Zurzeit tüftelt Pugia daran, die Prozesse auf dem Lab-on-a-Chip zu optimieren. Dafür hat er ein System von haarfeinen Kanälen, Kammern und Lüftungsschlitzen auf Kunststoff so angeordnet, dass die injizierte Flüssigkeit sich von selbst in der richtigen Geschwindigkeit verteilt. In verschiedenen Kammern mischt sich die Flüssigkeit mit den dort deponierten trockenen oder flüssigen Reagenzien. Das Gebiet der Mikrofluidik ist ein relativ neuer Zweig der Forschung. Flüssigkeiten und Gase verhalten sich auf kleinstem Raum anders als in größeren Maßstäben. Die physikalischen Besonderheiten erforscht Pugia und setzt sie in seinen Prototypen um. „Unser Ziel ist es, alle Diagnosen, die man bisher in einem Großlabor durchführt, auch mit einem kleinem Handgerät machen zu können“, erläutert Pugia. Diese Geräte sollen außerdem sehr kostengünstig sein. Das eröffnet ganz neue medizinische Betreuungsmöglichkeiten, etwa für geographisch abgelegene Gebiete.
Die neuen Miniatur-Labors sollen außerdem auch von nicht speziell ausgebildetem Personal benutzbar sein. Das spart nicht nur Geld, sondern auch viel Zeit. So haben Ärzte beispielsweise in Notsituationen viel schneller Zugriff auf Untersuchungsergebnisse und können Therapieentscheidungen schneller treffen.
Pugia arbeitet seit 23 Jahren für Siemens in der Grundlagenforschung in klinischer Biochemie sowie physikalischer, organischer und anorganischer Chemie und in der Produktentwicklung. Außerdem hat er mehrere Lehraufträge an amerikanischen Universitäten.