FYI-Chip

Durch Hefe- und Schimmelpilzinfektionen kann es zu schweren Erkrankungen, insbesondere bei immunsupprimierten und Intensiv-Patienten, kommen. Für den Behandlungserfolg ist ein rascher Nachweis des Erregers inklusive seines Resistenzspektrums entscheidend. Ziel des Projekts FYI ist es, ein vollintegriertes Lab-on-a-Chip-System (LOC) zur schnellen Bestimmung von Hefe- und Schimmelpilz-Infektionen zu entwickeln.

Dafür arbeiten das Fraunhofer IGB und das IGVT der Universität Stuttgart zusammen mit den Firmen Euroimmun, Multi Channel Systems MCS und Bosch sowie dem Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein-Westfalen. Bisher wurden PCR-Systeme und DNA-Sonden für den Nachweis von gut 50 relevanten Hefe- und Schimmelpilzerregern (z.B. Candida spp. oder Aspergillus spp.) entwickelt. Derzeit werden LOC-kompatible Aufschlussverfahren für die Pilzspezies erarbeitet.

Hefe- und Schimmelpilzinfektionen führen zu schweren Erkrankungen, insbesondere bei immunsupprimierten und Intensiv-Patienten. Bei einer Mortalitätsrate zwischen 30 und 80 Prozent spielt insbesondere der rasche Nachweis des Erregers inklusive seines Resistenzspektrums eine entscheidende Rolle für den Behandlungserfolg.

Der klassische Erregernachweis mittels kulturbasierter Methoden (Mikrodilution, Etest) kann für Hefen und Schimmelpilze bis zu 14 Tage in Anspruch nehmen. Außerdem ist aus klinischen Studien bekannt, dass die phänotypische Resistenztestung mit einem Fehler von bis zu 15 Prozent behaftet ist. Oftmals gelingt die Anzucht überhaupt nicht, auch wenn der Patient klinisch eindeutige Symptome aufweist. In diesen Fällen muss eine Verdachtstherapie initiiert werden, die nicht spezifisch auf den Erreger angepasst werden kann.

Aus diesem Grund werden für die Erregeridentifikation vermehrt molekularbiologische Methoden wie Sequenzierung, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), PCR oder quantitative Echtzeit-PCR (qRT-PCR) eingesetzt. Diese Methoden sind jedoch nur begrenzt multiplexfähig. Das heißt, es kann gleichzeitig nur auf wenige einer Vielzahl im Routinealltag auftretender Erreger oder Resistenzen getestet werden (≤10 Parameter). So werden mehrere kostenintensive Tests erforderlich, was den Zeitvorteil der Methode schmälert.

DNA-Microarray als Diagnostik der Wahl

Diese diagnostische Lücke kann durch DNA-Microarrays geschlossen werden, welche die zeitgleiche Untersuchung von bis zu mehreren tausend Parametern erlauben. Bisher werden solche Tests kaum in der Routinediagnostik eingesetzt, unter anderem aufgrund eines hohen experimentellen und apparativen Aufwands zur Prozessierung der Microarrays. Durch den Einsatz von Mikrosystemen, die den gesamten Testablauf in einem sogenannten Lab-on-a-Chip (LOC) vereinen, können diese Probleme minimiert werden.

Vollintegriertes Lab-on-a-Chip-System

Das Fraunhofer IGB und das Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik IGVT der Universität Stuttgart entwickeln gemeinsam mit Partnern aus der Medizin, Wissenschaft und Industrie im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens »FYI-Chip – Fungi Yeast Identification« ein vollintegriertes Lab-on-a-Chip-System zur schnellen Bestimmung von Hefe- und Schimmelpilzinfektionen in respiratorischen Sekreten und primär sterilen Körperflüssigkeiten bei immunsupprimierten Patienten.

Hierfür arbeiten die Wissenschaftler des Fraunhofer IGB und IGVT eng zusammen mit der Lübecker Firma Euroimmun, mit Medizinern des Herz- und Diabeteszentrums Nordrhein-Westfalen sowie mit Entwicklern der Reutlinger Multi Channel Systems MCS GmbH und der Robert Bosch GmbH, Gerlingen. Ziel ist es, die einzelnen funktionalen Komponenten wie die Probenvorbereitung, die Mikrofluidik und die Detektion der Erreger-DNA in einem vollintegrierten LOC zu vereinen.

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Für den Nachweis von über 50 relevanten Hefe- und Schimmelpilzerregern, darunter Candida spp. oder Aspergillus spp., sind PCR-Systeme und DNA-Sonden entwickelt worden. Zum Nachweis dieser Vielzahl an Erregern wurden PCR-Systeme für mehrere Gene entworfen, die zwischen den Spezies hochkonservierte Bereiche aufweisen, gleichzeitig aber ausreichend variabel sind, um eine Diskriminierung über DNA-Sonden zu erlauben. Diese werden derzeit auf ihre Eignung in LOC-Funktionsmustern geprüft. Zudem werden LOC-kompatible Aufschlussverfahren für die Pilzspezies erarbeitet. Die Verwendung von Einmalkartuschen macht das System flexibel und kostengünstig.

Als Mini-Labor verbindet das LOC die Probenvorbereitung direkt auf dem Chip mit der schnellen molekularbiologischen Diagnostik von Hefe- und Schimmelpilzen und deren Resistenzen mit hoher Nachweisempfindlichkeit. Damit kann es den Arzt bei der Diagnosestellung unterstützen und eine zeitnahe, adäquate Therapieeinleitung bzw. Therapieanpassung ermöglichen. Das LOC-System wird so ausgelegt, dass es in nachfolgenden Entwicklungen auf weitere Probenmaterialien, beispielsweise Biopsiematerial oder bakterielle Erreger, sowie auf Antibiotika-Resistenzen angepasst werden kann.

  • Euroimmun Medizinische Labordiagnostika AG
  • Herz- und Diabeteszentrum NRW
  • Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik IGVT, Universität Stuttgart
  • Multi Channel Systems MCS GmbH
  • Robert Bosch GmbH