Durchflusssensor für mikrofluide Systeme Neue Möglichkeiten in der Diagnostik

Der Trend zur patientennaher Labordiagnostik
Der Trend zur patientennaher Labordiagnostik hält weiter an.

In der medizinischen Diagnostik hält der Trend zu patientennaher Labordiagnostik unvermindert an. Das heißt, der diagnostische Test soll möglichst zeitnah und am besten direkt beim Patienten durchgeführt werden können. Für komplexere Untersuchungen werden präzise mikrofluidische Systeme benötigt.

Ein bekanntes Beispiel für einen Point-of-Care Test ist die Urinanalyse mittels eines Papierstreifens. Bei einem solchen Test führen die unterschiedlichen Bestandteile des Urins – wie beispielsweise weiße und rote Blutkörperchen, Glukose oder der pH-Wert – zu einer Farbänderung der reaktiven Flächen des Teststreifens. Durch das Vergleichen der Farbmuster mit einer Referenzskala kann so die Pflegefachperson qualitative Informationen über die Konzentration der verschiedenen Substanzen im Urin ableiten. Noch einfacher kann heutzutage die Sauerstoff-Sättigung des Blutes nicht-invasiv durch die Haut hindurch bestimmt werden, indem ein optischer Sensor an die Fingerspitze des Patienten geklippt wird. Früher, vor Aufkommen dieser sogenannten Puls-Oximeter, musste eine Blutprobe entnommen und zur Untersuchung ins Zentrallabor geschickt werden.

Komplexere Untersuchungen – wie beispielsweise der Nachweis von spezifischen Viren oder Bakterien – sind auch heute noch auf die aufwändige Infrastruktur und das speziell ausgebildete Personal eines Zentrallabors angewiesen. Solche Untersuchungen benötigen oftmals zusätzliche Schritte in der Probenvorbereitung oder Vorbehandlung, spezielle Temperaturbedingungen oder komplizierte Geräte für die Analyse. Um auch diese Untersuchungen direkt beim Patienten am Krankenhausbett durchführen zu können, muss das Test-Procedere vereinfacht und die Interaktion mit dem Benutzer minimiert werden. Im Idealfall läuft der gesamte Test selbstständig auf einem einzelnen mikrofluidischen System ab, das heißt, das ganze Labor wird auf einem Chip integriert und so zum „Lab on a Chip“.

Mikrofluidische POC-Tests

In der Mikrofluidik, insbesondere in den Biowissenschaften, wurde in den letzten Jahrzehnten sehr aktiv geforscht mit dem Ziel, heutige Laborexperimente, diagnostische Tests oder (bio-)chemische Prozesse zu miniaturisieren und zu automatisieren. Statt diskrete Flüssigkeitsmengen von einem Behälter in den nächsten zu pipettieren, fließt heute die Flüssigkeit im mikrofluidischen System durch die winzigen Kanäle eines Trägers. Die Flüssigkeit in diesen Kanälen wird üblicherweise durch externe Pumpen oder Druckquellen bewegt, an die der fluidische Chip angeschlossen ist. Um den angelegten Druck zu regeln oder den durch die Pumpe generierten Fluss zu stabilisieren, wird die Flussrate mit Durchflusssensoren gemessen. Dank ihrer guten Sensitivität bei niedrigen Flussraten werden die mikrothermischen Durchflusssensoren von Sensirion heute oft für die genaue Überwachung des Flüssigkeitsflusses in mikrofluidischen Systemen eingesetzt.

Die Abmessungen der Kanäle im fluidischen System sind mittlerweile stark reduziert auf eine Mikrometerskala und die Flüssigkeitsvolumina befinden sich im Mikroliter- oder sogar Nanoliterbereich. Dies erlaubt der Mikrofluidik, die Proben- und Reagenzienmengen drastisch zu reduzieren, Reaktionen schneller ablaufen zu lassen und damit den Durchsatz zu erhöhen. Nicht zuletzt bedeutet eine kleinere Größe des Fluidik-Systems auch niedrigere Kosten und kleinere Geräte. Beides sind notwendige Bedingungen, damit Untersuchungen dezentral direkt am Behandlungsort, das heißt, an der Bettkante, auf der Krankenhausetage oder in der Arztpraxis durchgeführt werden können. Dies wiederum vereinfacht die Logistik und stellt die Resultate schneller für eine bessere und zielgerichtetere Behandlung der Patienten bereit.