Ein neues Fluoreszenzanalysegerät, das in der Größe einem AirPods-Gehäuse ähnelt, verspricht, die Art und Weise, wie schnelle und praktische molekulare Tests in der häuslichen Umgebung durchgeführt werden können, zu revolutionieren. Ziel der Technologie ist es, den Zugang zu wichtigen Diagnostika außerhalb der traditionellen Laborumgebung zu erleichtern.

Innovationen im Bereich der Medizintechnik haben wesentlich zur Verbesserung der Gesundheit beigetragen, indem sie entscheidende Aspekte der Pflege, die bisher schwer zugänglich waren, im Alltag präsenter machen. Die Überwachung von Symptomen und das Screening auf verschiedene Krankheiten außerhalb von Laboren oder Kliniken geben den Patienten mehr Autonomie.

In diesem Zusammenhang widmen sich aktuelle Forschungsarbeiten der University of Illinois der Bereitstellung einer praktischen Lösung für die Frage, wie ein umfassendes Diagnosesystem außerhalb der Grenzen eines Labors funktionieren könnte.

Die Untersuchung wurde von Han Keun Lee im Labor des Elektro- und Computertechnikprofessors Brian Cunningham in Zusammenarbeit mit dem Bioingenieurprofessor Xing Wang geleitet. Die Ergebnisse der Studie wurden im IEEE Sensors Journal veröffentlicht.

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Lee, Cunningham, Wang und ihre Mitarbeiter präsentierten den Entwurf und die Validierung eines Geräts, das empfindliche Testergebnisse für Krankheitserreger oder Biomarker im Zusammenhang mit Krebs lesen und vergleichen kann, und das alles in einem kompakten Format, das einem AirPods-Gehäuse ähnelt. Die Studie, die das Potenzial hat, den Zugang zur Früherkennung schwerer Krankheiten wie Krebs zu demokratisieren, wurde von den National Institutes of Health (NIH) und dem US-Veteranenministerium finanziert.

Herausforderungen bei bestehenden Heimtestmethoden

„Mein Ziel ist es, die Erkennung von Krebs zu Hause zu ermöglichen. Um die Krankheit zu erkennen, ist es derzeit oft erforderlich, ins Krankenhaus zu gehen und Blut abnehmen zu lassen“, erklärte Lee und wies darauf hin, dass diese Anforderungen ein großes Hindernis für eine bezahlbare und rechtzeitige Behandlung darstellen können. „Meine Arbeit hier besteht darin, den Einsatz dieser Tests weltweit auszuweiten, damit die Menschen sie nutzen können und einen besseren Zugang zu Spitzentechnologien haben.“

Viele heute verfügbare Heimtests funktionieren ähnlich wie Schwangerschaftstests oder Antigentests für Infektionskrankheiten wie COVID-19. Sie verwenden markierte Moleküle, die eine sichtbare Linie erzeugen, wenn die gewünschte Substanz in der Probe vorhanden ist, und ein binäres Ergebnis liefern, positiv oder negativ. Obwohl diese Tests relativ kostengünstig und einfach anzuwenden sind, kann ihre Empfindlichkeit begrenzt sein und sie liefern oft nur qualitative oder semiquantitative Ergebnisse.

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Darüber hinaus muss für jeden neuen Krankheitserreger oder jedes biologische Molekül, das von Interesse ist, eine neue Version des Teststreifens speziell entwickelt werden.

Eine andere, in Labors weit verbreitete Testmodalität bietet eine höhere Präzision und quantitative Kapazität, basierend auf der Messung eines Fluoreszenzfarbstoffs, dessen Signal verstärkt werden kann. Die meisten vorhandenen Geräte zum Lesen von Fluoreszenzsignalen eignen sich jedoch nicht für den Heim- oder Point-of-Care-Einsatz, da sie groß und teuer sind und häufig eine spezielle Schulung für den korrekten Betrieb erfordern.

Entwicklung eines kompakten Readers für vergleichende Analysen

„Es gibt mehrere Möglichkeiten, Fluoreszenzassays zu quantifizieren. Eine besteht darin, den gesamten Reaktionsbereich mit einer Kamera aufzuzeichnen, was jedoch eine komplexe Instrumentierung erfordert“, sagte Lee.

„Ein solcher Ansatz war weit von unserem Ziel entfernt, etwas Tragbares, Kleines und Zugängliches zu schaffen. Wir haben uns daher entschieden, den Fotodetektor beizubehalten“, eine einfachere Komponente, die die Lichtintensität misst, ohne räumliche Informationen zu erfassen.

Allerdings hat die Verwendung eines einzelnen Lichtdetektors ihre eigenen Einschränkungen, da sie keinen eindeutigen Vergleich zwischen der getesteten Probe und einer Kontrollprobe ermöglicht, die als negative Referenz dienen würde.

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Lee und seine Mitarbeiter hatten bereits ein kompaktes und intuitives Gerät entwickelt, den VPod, der Fluoreszenzsignale erkennen konnte, aber jeweils nur eine Probe maß. Aktuelle Forschungsergebnisse stellen VPodDuo vor, eine erweiterte Version, die einen gepaarten Test- und Kontrollworkflow ermöglicht und die gleichzeitige Messung beider Proben ermöglicht.

Der VPodDuo eignet sich wie sein Vorgänger, der VPod, aufgrund seiner Kompatibilität mit mehreren molekularen Assay-Formaten auch für den Point-of-Care-Einsatz. Das Gerät ist in der Lage, grüne Fluoreszenzsignale zu messen, die von verschiedenen Arten von Nachweisreagenzien emittiert werden, sodass dasselbe Lesegerät für Tests für verschiedene Ziele verwendet werden kann.

Das Forschungsteam konnte zeigen, dass VPodDuo genetisches Material von Viren wie Zika und HIV, dem gegen Methicillin resistenten Bakterium Staphylococcus aureus sowie menschlichen genetischen Markern, die auf das mögliche Vorhandensein von Krebszellen hinweisen, genau erkennen und quantifizieren kann.

Aufbau eines vollständigen Diagnose-Workflows

„Es gibt ein bekanntes Sprichwort, dass die Medizin ohne Diagnose blind ist“, kommentierte Lee. „Der Zweck von Point-of-Care-Tests besteht nicht unbedingt darin, eine endgültige Diagnose zu stellen, sondern vielmehr darin, häufigere Tests zu ermöglichen und so die Chancen zu erhöhen, dass der Patient rechtzeitig eine Behandlung erhält.“

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Die Vielseitigkeit und hohe Präzision des VPodDuo machen ihn zu einem wissenschaftlichen Gerät von großem Wert. Um in der direkten Patientenversorgung praktisch einsetzbar zu sein, musste das Gerät außerdem tragbar und einfach zu bedienen sein.

Lee und seine Co-Autoren konzipierten das Gerät für die drahtlose Verbindung mit einem Mobilgerät, entwickelten eine App mit einer intuitiven Benutzeroberfläche, die die Bedienung und Interpretation der Ergebnisse erleichtert, und integrierte Sicherheitsmaßnahmen, um versehentlichen Missbrauch zu verhindern. Alle diese Funktionen wurden mit dem Hauptziel entwickelt, einen Point-of-Care-Testworkflow zu schaffen, der außerhalb zentraler Labore eingesetzt werden kann.

„Hier geht es nicht nur um einen einzelnen Test für den Point-of-Care-Einsatz, sondern um das gesamte System“, betonte Lee. „Unsere Absicht war es, dies aus einer systemtechnischen Perspektive für fluoreszierende molekulare Tests anzugehen. Da wollte ich hin, um dabei zu helfen, all diese großartigen Technologien der Welt zugänglich zu machen und echte Vorteile zu bieten.“