Lab-on-a-Chip-Entwicklung als Plattformtechnologie für Bakterien

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Lab-on-a-Chip-Entwicklung als Plattformtechnologie für
Bakterien-Schnelltests am Beispiel von MRSA
Entwicklung des Schnelltests ermöglicht vollautomatische Analysen von
Tupferproben am Point of Care (POC) innerhalb einer Stunde. Weiterentwicklung des
vom BMWi geförderten Prototypen geplant.
Das Bakterium Staphylococcus aureus
gehört zu den hauptsächlichen Erregern
krankenhaus-bedingter und ambulanter
Infektionen. Besonders die Methicillin- bzw.
multiresistenten Stämme von S. aureus
(MRSA) führen zu Problemen, da die
Behandlung mit den gängigen Antibiotika
aufgrund deren gebildeten Resistenzen nicht
mehr möglich ist. Etwa 20 % der klinischen
Isolate in Deutschland sind resistent. Ein
hoher Prozentsatz der Erkrankungen führt
zu einer Verlängerung der Behandlung des
Patienten, oft verlaufen die Infektionen sogar
tödlich.
Dies
führt
zu
erhöhten
Behandlungskosten und einer psychischen wie physischen Belastung des Erkrankten. Eine
frühzeitige Erkennung von Patienten mit MRSA wird als sicherste Methode zur Eindämmung der
Gefährdung beurteilt.
Die derzeit verbreiteten Untersuchungsmethoden benötigen fast immer ein externes Labor, in das
die Patientenproben gesendet werden müssen, so dass selbst eine nur 2-stündige Untersuchung
durch den Transport an den Ort der Analyse mindestens einen Tag dauert. Positive Ergebnisse
müssen dabei in einer weiteren Untersuchung verifiziert werden, was die Quarantäne, sofern diese
durchgeführt wird, unnötig verlängert. Die langwierigen und aufwendigen Analysen führen zu
unzulänglichen Maßnahmen im Umgang mit resistenten Keimen, denn die hohen Kosten der
Isolierung der Patienten bis zum Befund lassen die Krankenhäuser vor konsequentem Screening
und MRSA-Management zurückschrecken.
Ein Test mit dem hier vorliegenden Lab-on-a-Chip-Prototypen hat den entscheidenden Vorteil, dass
er direkt bei der Aufnahme des Patienten im Krankenhaus gemacht werden kann. Noch bevor dem
Patienten ein Zimmer zugewiesen wird, liegt der Befund vor. Es kann unmittelbar entschieden
werden, ob eine Isolierung des Patienten notwendig ist. Die Kosten für den Test sind dabei so gering,
dass jeder Patient getestet werden kann. Für die Krankenhäuser sind weitere Einsparungen möglich,
wenn sie mehrere Patienten mit dem gleichen Typ der Resistenz in einem Zimmer isolieren können.
Diese sog. Kohorten-Isolation MRSA-kolonisierter und -infizierter Patienten wird vom
Bundesgesundheitsministerium explizit empfohlen, um die MRSA-Situation zu verbessern. Dazu ist
die Unterscheidung der Mutationskassetten auf genomischer Ebene, i.d.R. mittels PCR
(Polymerase-Ketten-Reaktion) notwendig, die derzeit in einem externen Labor in einem meist
mehrstufigen Verfahren vorgenommen werden muss. Die zusätzlichen Kosten werden von den
Krankenhäusern kaum investiert. Der neu entwickelte Chip soll diese Information ohne jeglichen
Mehraufwand innerhalb von etwa einer Stunde bieten.
DNE microtechnology
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Der Prototyp ist ein Chip im Postkarten-Format, der in ein Analysegerät gesteckt wird, in dem alle
Reaktionsschritte vollautomatisch durchgeführt werden. Die Hands-on-time begrenzt sich damit auf
wenige Minuten. Auf dem Chip werden Bakterien aus Nasen-Abstrichen direkt aus dem Tupfer lysiert
und damit die DNA freigesetzt. MRSA- spezifische Abschnitte der DNA werden mittels PCR
vervielfältigt und gleichzeitig mit einem Fluoreszenz-Farbstoff markiert. An typenspezifischen
Sonden erfolgt im nächsten Schritt eine Hybridisierung. Nur relevante DNA-Abschnitte werden dabei
an den komplementären Punkten auf dem Chip gebunden. Die Farbmarkierung der DNA, die sich
an dem jeweils entsprechenden Punkt anreichert, kann mit einer integrierten Ausleseeinheit
ausgewertet werden. Positiv- und Negativ-Kontrollen gewährleisten einen korrekten Verlauf der
Analyse für jeden Reaktionsabschnitt. Durch die Kombination von spezifischer PCR und
typenspezifischer Hybridisierung wird eine doppelte Ergebnis-Sicherheit erreicht. Das Ergebnis kann
einfach vom Pflegepersonal abgelesen werden. Über geeignete Software-Schnittstellen können die
Ergebnisse in Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen verarbeitet und archiviert werden.
Der Markt für die entwickelte Chip-Technologie des Schnellnachweises von MRSA inklusive
Typisierung ist mit 17 Millionen Menschen, die in Deutschland jährlich vollstationär behandelt
werden, mit großem Potential vorhanden. Hinzu kommen Anwendungen in der ambulanten Medizin,
wie der zahnmedizinischen Versorgung und den ambulanten Pflegediensten. Altenheime mit
Pflegestationen könnten die Gesundheitsgefährdung ihrer Bewohner durch MRSA-Screenings und
Hygienemaßnahmen ebenfalls reduzieren und die Kosten und den Pflegeaufwand z.B. durch
schlechtheilende Wunden verringern.
Der Chip-basierte Schnelltest bietet direkt am ”Point of Care” einen Nachweis für MRSA-Bakterien,
der vom Pflegepersonal einfach bedient und eindeutig interpretiert werden kann. Dies ist somit
schneller und kostengünstiger als die derzeitigen Verfahren und Produkte. Durch die Information
über die Mutationskassette besteht zusätzlich die Möglichkeit der Kohorten-Isolation. Bei geringen
Ausgaben für das Patienten-Screening mit diesem neuartigen System ergeben sich für die
Krankenhäuser und das gesamte Gesundheitssystem enorme Einsparungen gegenüber der heute
sehr kostenintensiven Behandlung der Symptome.
Da es sich um eine Plattform-Technologie handelt, kann der Chip durch eine einfache Änderung der
biologischen Nachweis-Parameter zur Analyse anderer Bakterien verwendet werden. Außerdem
können Kombinationen interessanter Bakterien nach Bedarf zusammengestellt und mit dem
vorhandenen Analyser bearbeitet werden.
Das Entwicklungsteam des Multidetektionssystems Bactoquick besteht aus der Hochschule
Bremerhaven, der hgTECC Technology Consulting Murrhardt und der DNE microtechnology
Schnaittenbach. Den Prototypen dieser Plattformtechnologie finden Sie auf der diesjährigen
Compamed bei 2E mechatronic GmbH in Halle 8a, Stand H19.
Norbert Kaspers
DNE microtechnology
92253 Schnaittenbach
Bergstrasse 10
kaspers@dne-eu.com
Tel: 09604 9099840
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