Lab-on-a-Chip: Die Zukunft der Diagnostik
Die Lab-on-a-Chip-Technologie revolutioniert die Allergiediagnostik, und SCHOTT MINIFAB schafft die Grundlage dafür, dass diese innovative Technologie den Mainstream erreicht.
Die Lab-on-a-Chip-Technologie revolutioniert die Diagnostik mit schnelleren, sichereren und präziseren Tests für Allergien und darüber hinaus.
- Herkömmliche Allergietests sind meist invasiv, ungenau und emotional belastend. Die Lab-on-a-Chip-Technologie bietet eine sicherere, schnellere und genauere Alternative.
- Mithilfe von Mikrofluidiksystemen und Mikroarrays analysieren Lab-on-a-Chip-Geräte eine winzige Blutprobe auf mehrere Allergene und eliminieren so direkte Expositionsrisiken.
- Diese Technologie ermöglicht auch die Echtzeit-Erkennung von Krankheiten und macht die Diagnostik zugänglicher, erschwinglicher und effizienter.
- SCHOTT MINIFAB beschleunigt die Kommerzialisierung mit modularen Designlösungen und trägt dazu bei, fortschrittliche Diagnostik für mehr Menschen zugänglich zu machen.
„Meine Gedanken überschlugen sich: Was war passiert? Wird er wieder gesund?“ sagt Max, der heute 38 Jahre alt ist. Seine Eltern brachten seinen Bruder sofort ins Krankenhaus – und ließen Max zurück, verängstigt und hilflos. Dieser Tag war für die Familie Shak der Beginn einer langen und beschwerlichen Reise – eine Odysee, die von endlosen medizinischen Tests, Ernährungseinschränkungen und einer ständigen Wachsamkeit, die jede Mahlzeit überschattete, geprägt war.
Obwohl Nahrungsmittelallergie trivial klingt, war Max' Familie jetzt, wie so viele andere Betroffene, mit langwierigen, ungenauen und frustrierenden Diagnose- und Abklärungsprozessen konfrontiert. Denn es gibt nur zwei relevante diagnostische Tests, mit denen genau festgestellt werden kann, worauf jemand allergisch sein könnte: Bei diesen werden dem Patienten Allergene in winzigen Dosen verabreicht, um zu sehen, welche Reaktion sie hervorrufen. „Das Verfahren mutete simple an“, erinnert sich Max. „Eigentlich aber war es ein Spiel mit dem Feuer. Die emotionale Belastung für meine Familie war enorm.“
An dieser Stelle setzt die Lab-on-a-Chip-Technologie an: Als Forscher und Wissenschaftsjournalist ist Max davon überzeugt, dass diese Innovation nicht nur eine Lösung für Allergietests bieten, sondern sogar die gesamte diagnostische Medizin verändern könnte. „Die Lab-on-a-Chip-Technologie ist äußerst vielversprechend und hat das Potential, das kritische Szenario für Millionen von Familien wie meiner positiv zu verändern“, sagt Max. „Die Idee, einen Allergietest durch einen einfachen, schnellen und minimalinvasiven Prozess durchzuführen – und das nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich präziser – ist wirklich beeindruckend.“
Der schwierige Weg zur personalisierten Diagnostik
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Um herauszufinden, worauf jemand allergisch reagiert, verlassen sich MedizinerInnen bisher weitgehend auf zwei verschiedene Arten von Diagnosetests. Aber: „Beide laufen auf einen Ausschlussprozess hinaus – also ein ständiges Ausprobieren“, erklärt Max.
Wie viele andere AllergikerInnen, die die Ursache ihrer Allergien herausfinden wollen, unterzog sich Max' Bruder zunächst einer Reihe von Prick-Tests. Dabei bringt ein Mediziner potenzielle Allergene über Dutzende winziger Nadeln auf die Haut des PatientInnen auf. „Mein Bruder musste unzählige Hautstich-Tests über sich ergehen lassen, um die Ursache zu ermitteln“, sagt Max. „Für ein kleines Kind war das eine Tortur, und für unsere Familie waren die ergebnislosen Ergebnisse oder Fehldiagnosen emotional sehr belastend.“
Ein weiterer gängiger Allergietest besteht aus einer Reihe „oraler Nahrungsmittelprovokationen“. Dabei werden PatientInnen unter ärztlicher Aufsicht kleine Mengen potenzieller Allergene verabreicht, um zu checken, ob der Körper sie verträgt. „Es war jedes Mal nervenaufreibend, weil man weiß, dass selbst eine kleine Menge schwere Reaktionen auslösen kann“, erinnert sich Max. „Seine Ernährungsplan war so restriktiv, dass beim Lebensmitteleinkauf zwanghaft die Zutatenliste studiert und Mahlzeiten immer aufwendig selbst zubereitet wurden, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Anstrengend, aber notwendig.“
Wären sogenannte kompakte „Mikrofluidsysteme“ damals schon entwickelt gewesen, hätte Max‘ Familie die Allergie seines Bruders mit einem bloßen Tropfen Blut feststellen können.
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„Mikrofluidiksysteme sind relativ kleine, geschlossene Geräte, die komplexe Laborprozesse nachbilden“, erklärt Cristian Zambrano, Produktentwicklungswissenschaftler bei SCHOTT MINIFAB. „Sie können verschiedene Komponenten mischen, Biomoleküle nachweisen und zugleich chemische Reaktionen durchführen. Und das alles bei minimalem Einsatz von Reagenzien und Proben. Daher auch der Name ‚Lab-on-a-Chip‘-Technologie.“
In mikrofluidischen Systemen kann mithilfe integrierter Mikroarrays – winzige Gitter, die mehrere Arten von Allergenen erfassen – das Blut eines Patienten auf verschiedene Allergene parallel getestet werden. „Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Allergene direkt zu verabreichen, wodurch der Prozess sicherer und weniger invasiv wird“, merkt Cristian an.
Die Effizienz ist wegweisend. Herkömmliche Diagnosemethoden erfordern oft erhebliche Ressourcen und Zeit, was die Zugänglichkeit einschränkt und Kosten in die Höhe treibt. Im Gegensatz dazu sind Lab-on-a-Chip-Geräte so konzipiert, dass sie benutzerfreundlich, schnell und in hohem Maße reproduzierbar sind, wodurch fortschrittliche Diagnosen erschwinglicher und allgemein verfügbar werden.
Diese Technologie bietet zudem breite Anwendungsmöglichkeiten in der Diagnostik. Eines der führenden diagnostischen Verfahren der letzten Jahrzehnte ist die Next-Generation-Sequenzierung (NGS), die DNA-Sequenzen effizient ausliest, um genetische Risikofaktoren für Krankheiten zu finden, aber nicht viel darüber aussagt, wie der Körper in Echtzeit funktioniert. „Die Mikrofluidik hingegen kann bei der Entwicklung von Point-of-Care-Geräten helfen, die nicht nur DNA oder RNA erkennen können, sondern auch Proteine und ihre posttranslationalen Modifikationen oder Metaboliten, die mit einer bestimmten Erkrankung in Verbindung stehen“, erklärt Cristian.
Die Mikrofluidik ermöglicht Proteine und andere biologische Marker zu erkennen und Veränderungen im Körper in Echtzeit anzuzeigen. Die Lab-on-a-Chip-Technologie wird damit zu einem leistungsstarken Werkzeug für eine schnellere und genauere Krankheitsdiagnose und -überwachung.
Herausforderung: Vom Labor zur Marktreife
Die Wissenschaft hinter der Lab-on-a-Chip-Technologie ist zukunftsweisend, doch entscheidend ist der Weg zur Kommerzialisierung. Die Markteinführung der Lab-on-a-Chip-Technologie sah sich bislang mit mehreren zentralen Herausforderungen konfrontiert, von der Komplexität des Designs bis hin zur Skalierbarkeit der Fertigung. „Viele Innovationen entstehen in einem Forschungslabor, nd funktionieren dort im kleinen Maßstab auf dem Labortisch “, erklärt James Downs, Vice President of Business Development bei SCHOTT MINIFAB. „Anschließend ist es entscheidend, diese Systeme zu einem kleinen, funktionalen und erschwinglichen mikrofluidischen Verbrauchsmaterial zu verkleinern.“
Die Miniaturisierung erfordert Fachwissen in den Bereichen Strömungsdynamik, Materialwissenschaft und Feinwerktechnik. Lab-on-a-Chip-Geräte benötigen spezielle Komponenten wie Mikrokanäle, Beschichtungen, Sensoren und Ventilsysteme, die alle nahtlos integriert werden müssen.
Die Entwicklung eines innovativen Lab-on-a-Chip-Geräts vom Prototyp bis zur Produktion ist also sehr komplex und aufwendig. „Es gibt unzählige potenzielle Fallstricke – Blasenbildung, Rückflussprobleme oder Materialunverträglichkeiten –, die deren Fertigung scheitern lassen können“, bemerkt Downs. „Diese frühzeitig zu erkennen und zu beheben, ist der Schlüssel für einen erfolgreichen Übergang zur Massenproduktion.“ Herkömmliche mikrofluidische Produktionsmethoden können teuer und zeitaufwendig sein, was wiederum die Skalierbarkeit einschränkt.
Und zu alldem bedeuten Kostenbeschränkungen bei der Point-of-Care-Diagnostik, dass Geräte günstig hergestellt werden müssen, um die Marktnachfrage zu decken. „Angesichts der bestehenden Erstattungssysteme von Versicherungen dürften Point-of-Care-Test nur ein paar Dollar kosten. Das heißt, dass die Produktionskosten möglichst gering gehalten werden müssen“, erklärt Downs.
Den Grundstein für skalierbare Innovation legen
Um diese Herausforderungen zu meistern, hat SCHOTT alle Prozesse – von der Integration des Designs bis hin zur Entwicklung und Fertigung – unter einem Dach vereint. „Das ist kompliziert und der Versuch, verschiedene Aspekte der Markteinführung einer innovativen Idee zu koordinieren, stand der erfolgreichen Entwicklung der Lab-on-a-Chip-Technologie bisher im Wege“, sagt James. „Es hat lange gedauert und viel Arbeit gekostet, aber uns ist es gelungen, einen nahtlosen Übergang vom Konzept zur Vermarktung zu ermöglichen.“
Entscheidender Vorteil ist die Fähigkeit von SCHOTT MINIFAB, Prototypen schnell herzustellen. Durch Fräsen und 3D-Druck kann das Team Entwürfe schnell testen und verfeinern, um potenzielle Risiken zu erkennen, bevor die Serienproduktion startet. Dieser iterative Ansatz ermöglicht es Unternehmen, ihre Geräte unter Kosteneffizienzkriterien zu optimieren.
Darüber hinaus ermöglicht SCHOTT MINIFABs Expertise im Bereich Polymerspritzguss und Microarray-Integration eine präzise, qualitativ hochwertige Produktion, die auf die Bedürfnisse jedes Kunden zugeschnitten ist. „Wir bringen vom ersten Tag an Automatisierungsingenieure, Biowissenschaftler und Qualitätsspezialisten zusammen“, erklärt James. “So stellen wir sicher, dass jede Designentscheidung auf das Endziel gerichtet ist – eine skalierbare, leistungsstarke Diagnostik.“
Durch die Konzentration auf die Risikominderung in der Frühphase sowie Nutzung multidisziplinärer Expertise können die Kommerzialisierung optimiert und der Weg für Lab-on-a-Chip-Geräte geebnet werden – und damit für vielfältige Anwendungen zugänglicher und kostengünstiger werden.
Eine Vision für die Zukunft
Das Potenzial der Lab-on-a-Chip-Technologie geht weit über ihre derzeitigen Anwendungen hinaus. Mit dem Aufkommen der Präzisionsmedizin wird es immer wichtiger, Diagnosen und Behandlungen auf die genetische Veranlagung, die Umwelt und den Lebensstil eines Menschen abzustimmen. „Die Biowissenschaften sind der Schlüssel zur Bewältigung komplexer Herausforderungen im Gesundheitswesen“, betont Cristian. "Mikrofluidische Geräte müssen weiterentwickelt werden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, und SCHOTT MINIFAB ist hier, um diese Entwicklung zu unterstützen.“
Für Max ist das Versprechen der Lab-on-a-Chip-Technologie mehr als wissenschaftlicher Fortschritt – es ist ein Hoffnungsschimmer. „Ich denke an zukünftige Generationen – vielleicht an meine eigenen Kinder – und ich hoffe sehr, dass sie nie das durchmachen müssen, was mein Bruder erlebte“, sagt er. „Es geht nicht nur darum, Dinge einfacher zu machen – es geht darum, Millionen von Menschen Normalität und Sicherheit zurückzugeben.“
Mit der Weiterentwicklung der Lab-on-a-Chip-Technologie steht die Revolution in der Diagnostik erst am Anfang. Von Allergietests bis hin zur Präzisionsmedizin sind diese winzigen Geräte in der Lage, die Gesundheitsversorgung zugänglicher, effizienter und mitfühlender zu machen. Die Zukunft der Diagnostik ist da – und sie passt in eine Handfläche.
