Innovation auf kleinstem Raum
Die BioMEMS-Technologie kombiniert Bosch-Kernkompetenzen aus MEMS, Mikrofluidik und Medizintechnik. Damit lassen sich bei der Analyse von Krankheitserregern mehr als 250 genetische Merkmale in teils weniger als 15 Minuten direkt am Point-of-Care erkennen.
Eine Blutvergiftung kann lebensbedrohlich sein, wird sie nicht rasch behandelt. Generell gilt beim Erkennen von Krankheitsursachen und Erregern: je schneller, desto besser. Relevante Parameter werden heute noch überwiegend in Zentrallaboren analysiert, was zeitintensiv und auch teuer sein kann. Mit der Diagnostikplattform Vivalytic hat Bosch bereits ein Analysegerät auf den Markt gebracht, das eine schnelle und hochpräzise Molekulardiagnostik gewährleistet und sich am sogenannten Point-of-Care anwenden lässt – also direkt vor Ort in Krankenhäusern, Praxen oder Testzentren. „Insgesamt geht der Trend im Gesundheitswesen hin zu dezentraler und personalisierter Diagnostik, die eine schnelle Intervention und individuelle Behandlung zulässt“, berichtet Jürgen Steigert, Head of Vivalytic Strategic Partnerships and New Technologies bei Bosch Healthcare Solutions. „In Zukunft müssen die Tests noch schneller durchgeführt und noch mehr Erreger erkannt werden“, sagt er. Dies gelingt jetzt mit der BioMEMS-Technologie, welche die Vivalytic-Plattform erweitert.
Mit der Diagnose im Miniaturformat ermöglicht der BioMEMS-Chip in der Vivalytic-Kartusche komplett neue Analyseverfahren. Eine eingebrachte Probe kann durch parallel ablaufende Echtzeit-PCR-Nachweise auf bis zu 250 genetische Merkmale gleichzeitig und automatisiert getestet werden – und das direkt dort, wo die Probe entnommen wurde. In teils weniger als 15 Minuten können die Ergebnisse vorliegen.
Damit das gelingt, werden Mikrofluidik und Medizintechnik mit Mikrosystemtechnik kombiniert. Alle drei sind Kernkompetenzen von Bosch. Bei den mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) ist Bosch Weltmarktführer, rund vier Millionen Chips werden täglich produziert. „Die Herausforderung war, die bei Bosch etablierten MEMS mit der Medizintechnik zu verbinden, um molekulardiagnostische Tests auf eine Vielzahl von Erregern dezentral zu ermöglichen“, erläutert Jochen Hoffmann, Chief Expert for Microfluidic Biological Systems bei Bosch Research.
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Hier setzte die Doktorarbeit von Daniel Podbiel an, Forschungsingenieur bei Bosch Research. Schnell kam ein großes Team mit unterschiedlichen Kompetenzen zusammen. „Die Aufgabe war, einen MEMS-Chip für mikrofluidische Molekulardiagnostik-Anwendungen zu entwickeln, also die Technik und Biochemie zu verbinden“, erklärt Daniel Podbiel.
Diagnose im Miniaturformat
Dazu war es notwendig, u.a. die Benetzungseigenschaften der Chip-Oberfläche anzupassen und ihr eine geeignete Mikrostrukturierung zu geben. Sie gewährleistet die nötige Wechselwirkung mit den zu testenden Flüssigkeiten. „Mit dem BioMEMS-Chip können wir völlig neue mikrofluidische Funktionalitäten im Nanoliterbereich umsetzen“, führt Daniel Podbiel aus. „Das bedeutet, dass ein Erreger dabei in einem sehr, sehr kleinen Reaktionsgefäß getestet wird, das im Durchmesser nur etwa so dick wie ein menschliches Haar ist.“ Das reduziert die Volumina von Testflüssigkeiten im Vergleich zu bisherigen PCR-Reaktionen um den Faktor 1 000 – eben in den Nanoliter-Bereich.
In diesem kleinen Maßstab muss erstmal die komplexe Biochemie ablaufen können, denn in mikro- und nanofluidischen Systemen wirken andere Effekte als im Großen, beispielsweise dominieren Oberflächeneffekte über Volumenkräfte. Relevant ist dies beispielsweise an der Stelle im Prozess, wo die Flüssigkeit in die Kavitäten des Chips eintreten muss. Diese „Töpfchen“, also Kavitäten, müssen nahtlos, lückenlos und vollständig befüllt werden. „Zudem kann eine Anlagerung nachzuweisender Genabschnitte an den Kavitätenwänden die PCR-Reaktion negativ beeinflussen“, erklärt Jochen Hoffmann. „Diese Anforderung stellt eine besondere Herausforderung bei der Miniaturisierung dar.“
Ein weiterer Aspekt: Mit der BioMEMS-Technologie sollen möglichst viele genetische Merkmale wie Pathogene, Keime und Bakterien nachgewiesen werden. Auf dem BioMEMS-Chip können 250 Nachweise parallel ablaufen. „Wir mussten zusätzlich eine Lösung finden, in diesen 250 Töpfchen auch 250 verschiedene Arten nachzuweisen“, beschreibt Jochen Hoffmann die Herausforderung. Dafür muss in jeder Kavität die jeweilige Nachweiszutat vorher eingebracht und sichergestellt werden, dass diese beim Befüllvorgang auch nur dort verbleibt und nicht in eine daneben angeordnete Kavität gelangt. In diesem Fall wäre kein eindeutiger Nachweis eines Erregers möglich.
„Die BioMEMS-Technologie zu entwickeln war nur dank des starken und interdisziplinären Teams möglich“, sagt Jürgen Steigert. In den Bosch-Geschäftsbereichen wird sie zur Marktreife gebracht. Überall gilt aber schon jetzt: Wenn Erreger schnellstmöglich erkannt werden müssen, wie im Falle einer Blutvergiftung, kann die BioMEMS-Technologie dabei helfen, Leben zu retten.