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Sonntag, 28.05.2017
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Deutscher Zukunftspreis für Biochip mit Minilabor

Labor im Westentaschenformat spürt Krankheiterreger auf

Der erste vollelektrische Biochip mit Minilabor kommt aus Deutschland. Damit lassen sich Krankheitserreger oder schädliche Verunreinigungen wie Antibiotika schnell, automatisch und zuverlässig nachweisen. Für diese Entwicklung zeichnete Bundespräsident Horst Köhler drei Forscher von Fraunhofer, Siemens und Infineon mit dem Deutschen Zukunftspreis aus. Der mit 250 000 Euro dotierte Preis wird Wissenschaftlern für eine hervorragende technische, ingenieur- oder naturwissenschaftliche Innovation verliehen.
Labor in der Westentasche

Labor in der Westentasche

Das Forscherteam ist für die Erfindung eines hochempfindlichen Sensorchips ausgezeichnet worden, der weltweit erstmals einen rein elektrischen DNA-Nachweis ermöglicht und damit DNA-Analysen preiswert und schnell durchführen kann.

"Die Zusammenarbeit von Nanoelektronikern und Biotechnologen hat die Basis für eine schnelle, kostengünstige und im Notfall sogar lebensrettende Diagnose gelegt", kommentierte Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn die Entscheidung der Jury.

Labor im Westentaschenformat


Grippe oder eine starke fiebrige Erkältung? Ein kurzer Schnelltest verrät dem Hausarzt die Antwort. Er gibt einfach ein paar Tropfen Blut des Erkrankten auf ein scheckkartengroßes Messgerät und nur wenige Minuten später weiß der Arzt, dass sein Patient an einer echten Influenza leidet. Außerdem verrät ihm das System, welches Medikament bei dem Erkrankten am besten wirkt und wie es dosiert werden muss.


Noch ist diese Schnelldiagnose Zukunftsmusik. Aber einen wichtigen Grundstein für das Labor im Westentaschenformat ist mit der Entwicklung eines vollelektrischen Biochips bereits gelegt. Rainer Hintsche vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe hat in den vergangenen fünfzehn Jahren die wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Grundlagen dieser Technologie entwickelt – mit langjähriger Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF. Auf dieser Basis entstand zusammen mit der Industrie unter der Leitung von Walter Gumbrecht, Siemens, und Roland Thewes von Infineon Technologies, eine Plattform für den industriellen Einsatz der elektrischen Biochiptechnologie.

Fingernagelgroßer Chip ersetzt aufwändige Untersuchungen im Labor


Die elektrischen Biochips sollen künftig die schnelle und kostengünstige Analyse von Krankheitserregern oder Giften ermöglichen. Doch wie kann der nur fingernagelgroße Chip aufwändige Untersuchungen im Labor ersetzten? Auf dem Chip befinden sich viele ultrafeine Goldelektroden. Auf diese sind räumlich getrennt unterschiedliche Biomoleküle – die Fängermoleküle – verankert. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip fischen sie ganz spezifisch bestimmte Sequenzen eines Erbmoleküls oder eines bestimmten Proteins aus einer flüssigen Probe heraus.

Hat das Gegenstück an das Fängermolekül gebunden, wird ein elektrisches Signal ausgelöst, das die integrierte Messelektronik registriert und auswertet. So weiß man sofort, ob zum Beispiel eine Lebensmittelprobe Antibiotikarückstände enthält, oder ob eine Blutkonserve mit einem Virus verunreinigt ist. »Wir machen künstlich nichts anderes als die Natur, wenn sich Moleküle treffen und aneinander binden. Von Allergien ist bekannt, wie genau die Natur bestimmte Stoffe erkennt. Diese Vorgänge werden auf dem Siliziumchip künstlich nachgebildet«, erläutert Hintsche, Abteilungsleiter Biotechnische Mikrosysteme am ISIT, das Prinzip. So wird der elektrische Biochip zu einem hochempfindlichen Sensor für DNA und Proteine.

Biochips gibt es schon seit einiger Zeit. Aber die bisher gängigen Systeme arbeiten mit optischen Nachweistechniken – ein aufwändiges und teures Verfahren. Die Proben müssen zunächst mit einem Farbstoff markiert werden. Welche Fängermoleküle ihre Partner gefunden haben, kann erst mit Hilfe optischer Verfahren sichtbar gemacht werden. Anders bei den elektrischen Biochips: Sie messen biologische Erkennungsvorgänge direkt auf dem Siliziumchip ohne komplizierte und teuere Zwischenschritte. Damit eignen sich die Chips auch zum mobilen Einsatz: Notärzte können etwa nach einem Herzinfarkt direkt am Einsatzort Tests machen und erhalten sofort die Auswertung.

Die elektrischen Biochips haben noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Sie lassen sich mit den etablierten Verfahren der industriellen Halbleitertechnologie fertigen. Das ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion. Zum »Labor auf einem Chip« werden die Biochips aber erst, wenn die Probenflüssigkeiten auch an die Sensoren herangeführt werden. Dazu bedarf es einer ausgeklügelten Kombination von Siliziumtechnologie, miniaturisierter Fluidik und Biotechnologie.

Viele Anwendungsmöglichkeiten für elektrischen Biochip


Das Konzept der elektrischen Biochips entstand am ISIT. Der Halbleiterhersteller Infineon brachte Intelligenz in den Chip. Durch integrierte Schaltungstechnik ist es möglich, mehr als 100 Tests gleichzeitig auf dem Chip auszuwerten. Basierend auf den elektrischen Biochips und ihrer Messtechnik wurden bereits drei Start-up-Unternehmen gegründet. Schon jetzt setzen 15 Universitäten und Firmen die neue Technologie in Forschung, Entwicklung und Dienstleistung ein.

Die elektrischen Biochips erschließen viele Anwendungen: Sie ermöglichen künftig eine schnelle, kostengünstige und einfache Analyse von Biomolekülen, wie Nukleinsäuren oder Proteinen, in der klinischen Diagnostik und zur patientenindividuellen Dosierung von Medizinpräparaten. In den kommenden Jahren sollen Arztpraxen, Krankenhäuser, aber auch Feuerwehr und Zivilschutz den elektrischen Biochip vor Ort für Routineuntersuchungen nutzen. Dann können Ärzte nicht nur testen, an welcher Krankheit der Patient leidet, sondern auch, welches Medikamente in welcher Dosis am besten wirkt. Auch Lebensmitteluntersuchungen lassen sich mit der neuen Technologie vereinfachen. So könnte Milch schon bald routinemäßig auf Antibiotikarückstände hin untersucht werden. Bislang sind solche Untersuchungen nur in Stichproben möglich.

Derzeit sind die ersten, etwa zwei Kilogramm schweren Messsysteme auf dem Markt. Bis die Messgeräte aber bequem in die Westentasche passen, müssen die Forscher noch weitere Entwicklungsarbeit leisten.
(Fraunhofer-Gesellschaft, Siemens, BMBF, 15.11.2004 - DLO)
 
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