Mittweida: Summer School führt Studierende von der Chipidee zur Messung

Freiberg – Wie sich aus einer Idee ein Point-of-Care-Testsystem entwickelt, konnten 18 Studierende aus Mittweida, Chemnitz, Leipzig, Erlangen und Halle zwei Wochen lang bei der EDUCARE Summer School „Zukunftstechnologien der Diagnostik“ miterleben. Das teilte die Hochschule Mittweida mit. Am Ende standen Messergebnisse an einem Chip, den die Gruppe selbst entworfen hatte.

Die Teilnehmenden lernten die Prozesskette in mehreren Stationen kennen: von Entwurf und Herstellung eines Mikrofluidikchips über Biosensorik, die Auswertung der Daten und zuletzt auch die rechtlichen Zulassungsvorgaben. Im Zentrum stand ein eigenes Mikroprojekt. Die Studierenden entwarfen zunächst ein Mikrofluidikdesign, aus dem ein funktionsfähiger Chip entstand. Zusammen mit Partnern der TU Chemnitz, des Fraunhofer IWU und des Fraunhofer IZI begleiteten sie den gesamten Prozess, der bei der Konstruktion begann, über die Fertigung führte und mit ersten Funktionstests endete. Sobald sich die Chips erstmals erfolgreich mit Flüssigkeit füllen ließen, konnten die abschließenden Messungen am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) folgen.

In Mittweida stand dann im Mittelpunkt, welche biologischen und messtechnischen Vorgänge in den mikrofluidischen Strukturen ablaufen. Grundlagen zu optischer Detektion und Biosensorik erläuterten die Professoren Richard Börner und Ulrich Rant. Dabei lassen sich Nukleinsäuren oder Proteine gezielt erkennen, und ihre Wechselwirkungen werden in messbare Signale umgesetzt. Felix Erichson widmete sich der Probe selbst: Woher Proben für diagnostische Tests stammen, was sich darin nachweisen lässt und welche Herausforderungen sich für Point-of-Care-Anwendungen ergeben.

Im Labor arbeiteten die Teilnehmenden mit Vanessa Reimann und Josephine Meitzner an zwei Versuchen. Im ersten bereiteten sie den selbst entwickelten Chip auf die Messung vor, füllten eine Farbstoffprobe ein und untersuchten ihn mittels Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM). So wurde erkennbar, an welcher Stelle im Chip die Probe lag und wie sie sich verteilte. Der zweite Versuch drehte sich um die Probenvorbereitung. Sie lief über eine druckgesteuerte Mikrofluidik automatisiert ab, danach wurde die Probe mittels Einzelmolekülmessungen untersucht. Für Point-of-Care-Systeme zählt demnach nicht nur die Detektion, sondern auch eine möglichst zuverlässige, automatisierte Probenvorbereitung. In einem Workshop zur Datenauswertung werteten die Teilnehmenden die Messdaten selbst aus; so entstand ein Bild des gefüllten Chips.

Mit der DNA-Sequenzierung lernten sie ein weiteres Anwendungsfeld kennen. Neue Verfahren wie die Nanoporen-Sequenzierung machen es möglich, Erbinformationen immer kompakter und dezentraler auszulesen. Gemeinsam mit Nils Schön aus der Arbeitsgruppe von Professor Röbbe Wünschiers richteten die Teilnehmenden eine Probe her und setzten die Messung an einem kommerziellen mikrofluidischen Sequenziersystem in Gang. Dabei zeigte sich, dass bereits jeder vorbereitende Schritt mitbestimmt, wie leicht ein Verfahren sich automatisieren und später in ein Point-of-Care-System einbinden lässt.

Für den Austausch blieb ebenfalls Zeit. Beim Mini-Kneipenquiz stellten sich drei Studierendenteams dem Dozenten- und Organisationsteam. Das Dozententeam gewann, reichte den symbolischen Preis, eine Dose Kekse, aber an die Zweitplatzierten weiter. Zum Abschluss der Tage am Laserinstitut gab es ein gemeinsames Grillen, bei dem Gespräche, Kartenspiele und Netzwerken im Vordergrund standen.

Am letzten Tag ging es um Regulatorik und Markt: Selbst wenn ein Point-of-Care-Test technisch einwandfrei arbeitet, muss er zunächst regulatorische Vorgaben erfüllen, bevor er als Produkt auf den Markt kommen kann. Die nächste Summer School ist für den 16. bis 27. August 2027 angesetzt.

In Kürze

• Anlass war die EDUCARE Summer School „Zukunftstechnologien der Diagnostik“
• Ort der Messungen: Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM)
• Nächste Summer School: 16. bis 27. August 2027

Zusammenhang

Die Mikrofluidik untersucht, wie sich Flüssigkeiten und Gase auf engstem Raum verhalten. In dieser Größenordnung können Effekte dominieren, die in der klassischen Strömungslehre oft vernachlässigt werden. Kleinste Mengen von Fluiden werden dabei bewegt, gemischt, getrennt oder anderweitig prozessiert.

Zur Bewegung der Flüssigkeit gibt es mehrere Wege. Passive Bewegung lässt sich beispielsweise über kapillare Fluidstrukturen erzeugen. Von aktiver Mikrofluidik wird gesprochen, wenn Komponenten wie Mikropumpen oder Mikroventile die Flüssigkeiten gezielt steuern. Mikropumpen fördern oder dosieren dabei Flüssigkeiten, Mikroventile bestimmen die Richtung bzw. den Bewegungsmodus der gepumpten Medien.

Oft können Verfahren, die sonst in einem Labor laufen, auf einem einzelnen Chip durchgeführt werden, dem sogenannten Chiplabor. Nach Darstellung der Wikipedia bringt ein solches Lab-on-a-Chip die Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem Substrat unter, zum Beispiel aus Glas oder Kunststoff. Dank seiner kompakten Abmessungen ist das Gerät leicht mitzuführen, weshalb es sich beispielsweise für die erste medizinische Hilfe fernab von Praxen und Kliniken anbietet.

Lab-on-a-chip-Technologien gelten laut Wikipedia als einer der Haupttreiber des Point-of-care-Testings. Zum Point-of-care-Testing zählen laut Wikipedia etwa Blutzuckertests, Schwangerschaftstests und Schnelltests auf Infektionskrankheiten.

Randbemerkung

Dass Studierende ihren eigenen Chip vom Entwurf bis zur Messung begleiten, macht die Summer School greifbar. Besonders schlüssig wirkt die Einbindung von Probenvorbereitung und Regulatorik, die in Entwicklungsprojekten gern zu kurz kommen. Offen lässt die Mitteilung, wie gut die selbst gebauten Chips am Ende messtechnisch abgeschnitten haben.