Tausende von Tröpfchen zählen

Die Vision von Lab-on-a-Chip-Systemen ist ein Labor, das in eine Westentasche passt – und dabei die Funktionalität eines voll ausgestatteten Analyselabors auf einem kleinen Testträger bietet. Ermöglicht wird dies durch die geschickte Steuerung von Flüssigkeiten in Mikrokanälen, die in Kunststoff-Testträgern integriert sind. Wissenschaftler um den Doktoranden Friedrich Schuler von der Professur für Anwendungsentwicklung am Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik (Imtek) haben ein Verfahren entwickelt, das eine DNA-Probe in Tausende von winzig kleinen Tröpfchen aufteilt und diese innerhalb von 30 Minuten zählen kann.

Das mikrofluidische Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es im Vergleich zu bisherigen Methoden wesentlich einfacher zu bedienen ist und mehr als 10000 Tröpfchen von etwa 120 nm Durchmesser besonders schnell erzeugen kann. Alles läuft auf einer Disk ab – einer sich drehenden Plastikscheibe von der Größe einer DVD.

Auf dieser rotierenden Disk fließt eine wässrige Flüssigkeit, getrieben von der Zentrifugalkraft, durch Kanäle in eine ölgefüllte Kammer. An der Mündung des Kanals reißen – ähnlich wie an einem tropfenden Wasserhahn – Tröpfchen ab. In diesen findet eine Bioreaktion zum Nachweis von DNA statt: Die Tröpfchen leuchten, sofern mindestens ein DNA-Molekül darin vorhanden ist. Dadurch ist es möglich, die Moleküle besonders präzise zu zählen. Dies ist für viele klinische Anwendungen wie Krebsdiagnostik, Pränatal-Diagnostik, Diagnose von Blutvergiftungen oder Kontrollen von HIV-Patientinnen und -Patienten relevant.

Da die Forscher in den Tröpfchen erstmals eine besonders schnelle Nachweisreaktion, die so genannte Rekombinase-Polymerase-Amplifikation, ablaufen lassen, gelingt es ihnen, die Zeit für das komplette Verfahren von üblicherweise mehr als zwei Stunden auf unter 30 Minuten zu senken. Außerdem kann mit dem neuen Verfahren die gesamte Probenflüssigkeit auf die Tropfen verteilt werden, ohne dass Reste in Kanälen oder Schläuchen zurückbleiben. Das soll die Kosten senken und den Arbeitsaufwand für das Vorbereiten von Probenmaterial deutlich schrumpfen lassen.

„Die einfache Handhabung der Disks, in der alle Reaktionen automatisiert ablaufen, macht das Verfahren in der Anwendung attraktiv“, erklärt Friedrich Schuler. Die Disks können kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt werden, eine Voraussetzung für Artikel in der Diagnostik, die nur einmal verwendbar sind. Die Forscher hoffen nun, dass das Verfahren bald die Abläufe in Forschungs- und Kliniklabors beschleunigen und verbessern kann.

Lab-on-a-Chip-Systeme sind Virtuosen in der Analysesteuerung. Dies wird durch die Nutzung von Effekten auf der Mikro- und Makroskala auf Einweg-Testträgern ermöglicht. Die gemeinsame Forschungsgruppe „Lab-on-a-Chip“ der Professur für Anwendungsentwicklung von Prof. Dr. Roland Zengerle und der Forschungsgesellschaft Hahn-Schickard entwickelt und verbessert Prozesse in der Analytik und Diagnostik. In einer Fertigungsanlage in Freiburg fertigt Hahn-Schickard Prototypen und Kleinserien solcher Lab-on-a-Chip-Systeme.