Forschungskooperation pes Diagnosesysteme
Schlauer Blutsensor
Ein neues Messgerät revolutioniert die Blutanalytik. Das System eine Kooperation von Siemens Dematic mit dem Unternehmen pes Diagnosesysteme wird direkt am Patienten eingesetzt. Es kann sehr rasch die Konzentration von Proteinen ermitteln bis zu acht gleichzeitig. Eine Auswertungssoftware erlaubt zudem, aus dem Verhältnis von Markerproteinen Aussagen über Krankheiten zu treffen.
Herzstück der Sensoren: ein Kunststoffprisma mit Mikroreaktionskammer. Im Reinraum bei pes überwachen Mitarbeiter die Fertigung (unten)
Wenn Ärzte Blut untersuchen wollen, sind sie meist auf die Hilfe von Laborärzten angewiesen. Künftig soll diese Aufgabe ein neues Messgerät direkt am Patienten übernehmen. Das Gerät, das Siemens Dematic für das Start-up-Unternehmen pes Diagnosesysteme entwickelt hat, enthält ein vollautomatisches Minilabor. Es kann Proteine im Blut in wenigen Minuten mit der Genauigkeit von Großlabors bestimmen. Der Clou ist die Vielseitigkeit: Theoretisch könnten bis zu acht Einzelwerte parallel gemessen werden. Außerdem berechnet es aus dem Konzentrationsverhältnis bestimmter Proteine ein Profil, das den Arzt bei Aussagen über Krankheiten unterstützt. Infarkt oder Entzündung, Infektion oder Tumor das System kann auf verschiedene Krankheiten zugeschnitten werden.
Großlabors verwenden heute zur Proteinmessung Reaktionen zwischen Antikörpern und krankheitsspezifischen Antigenen, die zum Teil mehrere Stunden dauern. "Unser Ziel war die raschere Diagnose", sagt pes-Chef und Firmengründer Thomas Löser. Der studierte Chemieverfahrenstechniker entwickelte ein Software-Verfahren für die Kombinationsmessung von Proteinen. Damit konnte er mit acht Tumor-Markern feststellen, ob ein Patient an Lungenkrebs erkrankt war und in welchem Stadium der Tumor sich befand. Das Problem: Die Proben hätten nur bei Lösers Mitarbeitern im Leipziger Vorort Markkleeberg bearbeitet werden können. Die Ärzte hätten die Proben exakt vorbereiten und in gekühlten Spezialbehältern versenden müssen "ein logistisches Desaster", räumt Löser ein. Zudem wären Tage bis zum Ergebnis verstrichen. "Uns war bald klar, wir müssen den Kunden ein Gerät hinstellen", sagt der pes-Chef. Die Lösung war eine optische Detektionsmethode des Instituts für Chemo- und Biosensorik (ICB) in Münster, mit der sich die Proteinanalytik und eine mathematische Auswertung kombinieren lassen.
Das klingt einfach, war aber keine leichte Aufgabe. Denn die Technik des Systems erfordert das exakte Zusammenspiel von Molekularbiologie, Mikrofluidik, Mechanik und Elektronik, empfindlicher Anregungs- und Detektionsoptik sowie Software zur Steuerung und Auswertung. Löser suchte eine interdisziplinäre Truppe, die das Messverfahren verwirklichen konnte fündig würde er bei den Mechoptronics-Spezialisten von Siemens Dematic in München. In nur drei Monaten baute die Gruppe Funktionsmuster, die bewiesen, dass das Verfahren funktioniert. "Danach haben wir die komplette Weiterentwicklung des Auswertegeräts übernommen", sagt Franz Drobner, der Leiter Entwicklung Devices&Sensors. Inzwischen ist die Technik serienreif. Die Finanzierung kommt zum Teil vom Siemens-Bereich Medical Solutions und dem Sächsischen Beteiligungsfonds.
Das System besteht aus einem Detektionsgerät, etwas größer als ein Laptop, und etwa daumengroßen Einmalsensoren aus Kunststoff. Das Gerät übernimmt die mechanische Steuerung, die optische Erfassung und die computergerechte Aufbereitung der Daten; in den Sensoren läuft ein hochkomplexes biochemisches Mikroreaktionsverfahren ab. Zudem enthält jeder Sensor einen Chip, der dem Gerät mitteilt, welches Programm ablaufen und wie die Auswertung erfolgen soll. "Jetzt ist die Zulassung die schwierigste Hürde", sagt Löser. "Dabei beraten uns die Experten aus der Siemens-Medizintechnik, weil sie die größere Erfahrung haben." Bei der Prüfung der Behörden müssen unter anderem mehr als 1500 Patientenproben in einer klinischen Studie von dem System bestimmt werden, bevor es als medizintechnisches In-vitro-Diagnosegerät zugelassen werden kann. Das Gerät soll unter dem Namen MultiCheck von der Firma Jaeger vertrieben werden, die mit kleinen Diagnosegeräten langjährige Erfahrung hat und seit vergangenem Jahr zum US-Konzern Viasys gehört. Die ersten Sensoren, die auf den Markt kommen sollen, messen das so genannte C-Reaktive-Protein (CRP), das bei Entzündungen und nach Operationen vermehrt im Blut vorkommt, sowie Markerproteine für Herzinfarkt, Prostatakrebs und Lungenentzündung.
"Für manche Anwendungen ist mir unsere Methode aber noch nicht schnell genug", sagt Löser. Denn bei einem Infarkt zählt jede Minute. So soll das Gerät in Zukunft bei der Messung von Herzinfarkt-Markerproteinen schon nach kürzester Zeit eine vorläufige Warnung ausspucken, wenn die ersten Messwerte auf einen Infarkt hindeuten.
Norbert Aschenbrenner
Komplexe Biochemie im Miniaturlabor
Für eine Messung gibt der Arzt lediglich etwas Blut in eine Öffnung des Sensors, legt ihn in das Gerät und drückt die Starttaste. Dann schiebt eine kleine Pumpe das Blut über eine Membran im Sensor, um die roten Blutplättchen abzutrennen. Die zu bestimmenden Proteine verbleiben im Blutplasma. Die Pumpe transportiert knapp 4 µl Plasma in eine Kammer, wo die Proteine mit spezifischen Antikörpern zu einem Komplex (1) reagieren. Die Antikörper tragen fluoreszierende Farbstoffe, die bei Bestrahlung mit einem Laser sichtbar werden. Die Pumpe drückt das Gemisch auf ein Prisma. Darauf befinden sich in parallel angeordneten Teststreifen weitere spezifische Antikörper (2), die die farbmarkierten Proteinkomplexe einfangen und spezifisch fixieren (3). Jetzt scannt ein Laser über das Prisma. Aufgrund der optischen Gesetze der Totalreflexion werden nur die Farbstoffe der Proteinkomplexe an der Oberfläche zum Leuchten angeregt, die abgestrahlte Fluoreszenz fängt ein Detektor auf (4). In der Lösung verbleibende Antikörper leuchten dagegen nicht auf. Die Intensität der Fluoreszenz ist ein Maß für die Konzentration des Markerproteins. Dabei wartet das System nicht, bis der Streifen vollständig belegt ist, vielmehr summiert es die Zunahme der Belegung über die Zeit (5) und berechnet daraus die Endkonzentration. Die gesamte Messung dauert maximal 15 Minuten.
