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Anwendungen der Mikrofluidik in der IVD: Molekulare Diagnostik, Immundiagnostik und biochemische Diagnostik

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Seamaty SD3

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Einführung

Unter In-vitro-Diagnostik (IVD) versteht man medizinische Tests, die an menschlichen Proben (wie Blut, Körperflüssigkeiten und Gewebe) außerhalb des Körpers durchgeführt werden, um klinische Diagnoseinformationen zu erhalten. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Erkennung von Krankheiten, der Gesundheitsüberwachung und der Behandlungsplanung. IVD umfasst hauptsächlich molekulare Diagnostik, Immundiagnostik und biochemische Diagnostik. Mit dem technologischen Fortschritt hat sich die Mikrofluidik als Schlüsselinnovation in der IVD herauskristallisiert, die Automatisierung, schnelle Tests, ultrahohe Empfindlichkeit, Hochdurchsatzdetektion und minimalinvasive Verfahren bietet.

Dieser Artikel befasst sich mit der Anwendung der Mikrofluidik in der IVD und konzentriert sich dabei auf drei Hauptbereiche: molekulare Diagnose, Immundiagnose und biochemische Diagnose.

1. Molekulare Diagnostik

1.1 Was ist molekulare Diagnostik?

Bei der molekularen Diagnose werden genetische und proteinbasierte Veränderungen bei Personen oder Krankheitserregern auf molekularer Ebene nachgewiesen. Sie findet breite Anwendung bei der Erkennung von Infektionskrankheiten, beim Screening auf genetische Störungen, bei der Krebsfrüherkennung, bei der Prognosebeurteilung, in der Präzisionsmedizin und bei nicht-invasiven pränatalen Tests. Unter den verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen haben mikrofluidische Polymerase-Kettenreaktions-(PCR)-Chips die molekulardiagnostischen Möglichkeiten erheblich verbessert.

1.2 PCR: Das Rückgrat der Molekulardiagnostik

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist ein molekularbiologisches Verfahren zur Vervielfältigung spezifischer DNA-Fragmente. Sie umfasst drei Schlüsselschritte:

① Denaturierung (90°C - 95°C): Die DNA-Stränge trennen sich bei hohen Temperaturen.

② Tempern (55°C - 60°C): Primer binden an die Ziel-DNA-Sequenzen.

③ Verlängerung (70°C - 72°C): Die DNA-Polymerase synthetisiert neue DNA-Stränge.

Die PCR spielt eine wichtige Rolle beim Nachweis von Infektionskrankheiten, genetischen Mutationen und Krebs-Biomarkern.

1.3 Mikrofluidischer PCR-Chip: Prinzip und Vorteile

Mikrofluidische PCR-Chips integrieren die PCR-Technologie mit mikrofluidischen Systemen, um eine schnelle, hocheffiziente DNA-Amplifikation zu ermöglichen. Diese Chips zeichnen sich aus durch:

① Miniaturisierung: Reduziert das Probenvolumen und den Reagenzienverbrauch.

② Hohe Geschwindigkeit: Schnellere Temperaturwechsel erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit.

③ Automatisierung und Integration: Reduziert die manuelle Handhabung und das Kontaminationsrisiko.

④ Tragbarkeit: Ermöglicht Vor-Ort- oder Point-of-Care-Tests (POCT).

Es gibt verschiedene Designs für mikrofluidische PCR-Chips:

① Räumlicher Typ: Flüssigkeit bewegt sich durch verschiedene Temperaturzonen in Mikrokanälen (z. B. schlangenförmige, strahlende, geschlossene Strukturen).

② Zeitliche Art: Das Fluid bleibt stationär, während sich die Temperatur ändert (z. B. Zentrifugalspäne).

③ LAMP (Loop-mediated Isothermal Amplification) Chips: Ermöglichen Amplifikation bei konstanter Temperatur ohne Temperaturwechsel.

④ Digitale PCR-Chips: Verteilen die DNA in Tausende von winzigen Partikeln zur absoluten Quantifizierung auf der Grundlage von Fluoreszenzsignalen.

Diese Fortschritte haben die molekulare Diagnostik erheblich verbessert und sie schneller, effizienter und leichter zugänglich gemacht.

2. Immundiagnose

2.1 Was ist Immundiagnose?

Die Immundiagnose nutzt immunologische Prinzipien, um Krankheiten zu erkennen und den Immunstatus zu bewerten. Diese Methode findet breite Anwendung bei der Erkennung von Infektionskrankheiten, Autoimmunkrankheiten und Krebs-Biomarkern.

2.2 Anwendungen der Mikrofluidik in der Immundiagnose

Mikrofluidische Immuno-Chips haben hochempfindliche, schnelle und automatisierte immundiagnostische Tests ermöglicht. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

① Nachweis von Tumormarkern: Messung spezifischer Krebs-Biomarker für die Frühdiagnose und die Überwachung der Wirksamkeit der Behandlung.

② Nachweis von Antigenen/Antikörpern bei Infektionskrankheiten: Identifiziert virale und bakterielle Infektionen durch schnelle Antigen-/Antikörpertests.

③ Diagnose von Autoimmunkrankheiten: Erkennt Autoantikörper, die für die Diagnose von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis und Lupus entscheidend sind.

④ Hormontests: Misst den Hormonspiegel für endokrinologische Untersuchungen.

2.3 Vorteile der mikrofluidischen Immundiagnostik

① Höhere Sensitivität und Spezifität: Detektiert kleinste Mengen von Antigenen oder Antikörpern mit hoher Präzision.

② Schnellere Ergebnisse: Reduziert die Durchlaufzeit im Vergleich zu herkömmlichen Immunoassays.

③ Point-of-Care-Tests: Ermöglicht eine schnelle Vor-Ort-Diagnose von Infektionskrankheiten und verbessert das Patientenmanagement.

④ Geringerer Verbrauch von Proben und Reagenzien: Reduziert die Testkosten bei gleichbleibend hoher Genauigkeit.

Diese Fortschritte machen die mikrofluidische Immundiagnostik für moderne klinische und Forschungsanwendungen unverzichtbar.

3. Biochemische Diagnostik

3.1 Was ist biochemische Diagnostik?

Die biochemische Diagnose umfasst die Analyse von Körperflüssigkeiten (z. B. Blut, Urin), um Stoffwechselfunktionen zu beurteilen und Krankheiten zu erkennen. Übliche biochemische Tests messen Blutzucker, Lipide, Leberenzyme, Nierenfunktionsmarker und Herzenzyme. Die biochemische Analyse macht fast 30 % des IVD-Marktes aus.

3.2 Herausforderungen bei der traditionellen biochemischen Analyse

Die herkömmliche biochemische Analyse stützt sich auf große, automatisierte Analysegeräte in medizinischen Einrichtungen. Diese Systeme sind zwar sehr genau, haben aber auch ihre Grenzen:

Langsame Verarbeitung: Die Zeit von der Probe bis zum Ergebnis kann sehr lang sein.

Hoher Proben- und Reagenzienverbrauch: Erfordert größere Mengen an Blut und teure Reagenzien.

Eingeschränkte Zugänglichkeit: Nicht geeignet für dezentralisierte oder Point-of-Care-Tests.