Herausforderungen für Chemolumineszenz-basierte Point-of-Care-Geräte

Um frühestmögliche Therapien bei Sepsis oder anderen Krankheitsbildern einleiten zu können, soll eine schnelle und präzise Diagnostik vor Ort ohne Laborwartezeiten etabliert werden. Dafür relevante Analyten wie z.B. Zytokine sind u.a. über Chemilumineszenz bestimmbar. Diese Nachweisreaktionen erzeugen kurze, schwache Lichtblitze oder ein langes, schwaches Glühen, was für das menschliche Auge in der Regel nicht sichtbar ist. In Laboren können kleinste Mengen von Analyten über Chemilumineszenz-Immunoassays (CLIA) mittels Photomultiplier Tubes (PMTs) bestimmt werden. PMTs sind Stand der Technik für Low-Light-Sensing, insbesondere für Laboranalysatoren bzw. Zentrallabore. PMTs sind hochsensitiv, bieten jedoch nur pixelweise per zweiachsigen Scanningverfahren eine räumliche Auflösung und sind verglichen mit integrierten CMOS-Sensoren groß und teuer, lassen sich schlecht miniaturisieren und mit komplexer Elektronik oder Mikrofluidik integrieren. Somit sind Chemilumineszenz-basierte Point-of-Care-Tests in kostensensitiven Anwendungen eher die Ausnahme, obwohl sich mit ihnen eine hohe Sensitivität und Testgüte erreichen lässt.

Neuartige modulare Mikrofluidik-Scanner-Plattform für Chemolumineszenz

Im Projekt ScoreChip entsteht eine neuartige Mikrofluidik-Scanner-Plattform für eine Vor-Ort-Diagnostik von Analyten per Chemolumineszenz. Ziel ist es, biochemische Reaktionen direkt aus klinischen Proben sichtbar zu machen und dabei eine bisher unerreichte Kombination aus räumlicher Auflösung und Sensitivität zu bieten. Die neue Lösung revolutioniert den PMT-Ansatz, indem sie fluidische Chips räumlich aufgelöst nur auf einer statt zwei Achsen scannen wird und dabei eine vergleichbare Sensitivität bietet – jedoch zu erheblich geringeren Kosten.

SPAD-Technologie für schnellere und präzisere Diagnosen

Kernstück des Systems ist ein CMOS-Sensor auf der Basis von Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs). SPADs können einzelne Photonen auflösen und erkennen die extrem schwachen Lichtsignale der Chemolumineszenz, die durch biochemische Reaktionen erzeugt werden. Ergänzt wird die Plattform bei Bedarf durch eine externe Fluidiksteuerung der Projektpartner, die das Messsystem flexibel und universell einsetzbar macht. Die Entwicklung erlaubt nicht nur die hochauflösende Analyse von Proben, sondern auch die einfache Anpassung an unterschiedliche diagnostische Anwendungen wie Sepsis-Screening.

IMMS erschließt SPAD-Technologie für Chemolumineszenz-basierte Point-of-Care-Diagnostik

Das IMMS bringt seine umfangreiche Erfahrung im Design und der Fertigung von optoelektronischen CMOS-Sensoren in das Projekt ein. Durch die Entwicklung eines maßgeschneiderten SPAD-Zeilensensors wird eine bisher unerreichte Kombination aus Sensitivität und räumlicher Auflösung erzielt. Die Arbeit umfasst den Entwurf, die Verifikation und den Test der Sensoren sowie die Integration in die Scanner-Plattform.

Flexibilität und Wirtschaftlichkeit als Schlüsselmerkmale

Die Mikrofluidik-Scanner-Plattform bietet zusammen mit den Lösungen  der Partner nicht nur eine kostengünstigere Alternative zu bestehenden Systemen, sondern auch eine deutlich höhere Flexibilität. Kliniken und Labore können das System individuell anpassen und so neue diagnostische Möglichkeiten erschließen. Das macht die Lösung besonders interessant für Point-of-Care-Anwendungen, bei denen Schnelligkeit und Präzision entscheidend sind.