Labor auf einem Chip aus Papier

Forscher an der Whitesides Research Group der Harvard University nutzen die natürliche Bewegung von Flüssigkeiten innerhalb von Papier, um Diagnosesysteme auf Mikrofluidik-Basis deutlich billiger zu machen. Das Ergebnis könnten Wegwerf-Untersuchungskits sein, die einfach und kostengünstig genug wären, um sie massenhaft in Entwicklungsländern einzusetzen.

Das Forschungsgebiet der Mikrofluidik beschäftigt sich mit der präzisen Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen. Eine der spannendsten möglichen Anwendungen sind so genannte "Lab on a Chip"-Systeme. Das sind Labordetektoren, die auf einen einzelnen Chip passen und mit wesentlich kleineren Proben arbeiten können, als größere Geräte – und Diagnosetechnologie deutlich portabler machen sollen. Bislang verfügbare Chips werden jedoch aus teuren Materialien wie Silizium, Glas oder Kunststoff hergestellt und besitzen kleine Pumpen und Ventile, die sich teilweise sehr komplex herstellen lassen.

George Whitesides und sein Team haben nun ein Mikrofluidik-Gerät entwickelt, das auf ein Papierquadrat passt, das die Größe des Nagels eines kleinen Fingers hat. "Es ist das erste verfügbare Beispiel, das mir aus dem Bereich der Papier-Mikrofluidik bekannt ist", sagt Albert Folch, Bioingenieur an der University of Washington, der am verwandten Thema "Microfabrication" forscht. "Das ist sehr clever, weil Papier als universell verfügbares Substrat verwendet wird."

Obwohl größere papierbasierte Tests, etwa zum Ausschluss einer Schwangerschaft, längst üblich sind, sorgt die hier nochmals verringerte Größe für weitere Kosteneinsparungen. Zudem ist Whitesides Technik weitaus komplizierter. Die Möglichkeit, Proben auf bestimmte Bereiche des Papiers zu lenken, erlaubt das gleichzeitige Durchführen mehrerer Untersuchungen, um etwa nach verschiedenen Symptomen einer Krankheit zu suchen, wie Nierenversagen oder Infektionen, so Whitesides. Die Verkleinerung der Probengröße sei ein besonderer Vorteil in Entwicklungsländern, wo das non-invasive Sammeln von kleinen Flüssigkeitsmengen die Notwendigkeit der Nutzung von Spritzen verringert, die schwer zu entsorgen sind.

Eine kleine Menge Blut, die durch das Einritzen der Haut entnommen wird, oder ein Tropfen Urin reichen schon aus. An der Kante des Whitesides-Prototypen wird die Probe aufgesaugt und bewegt sich dann natürlich durch das Papier, ähnlich wie Wein durch ein Papiertaschentuch wandert. Das Substrat wird zuvor mit einem hydrophoben Polymer behandelt, das die Flüssigkeit entlang eines vorgegebenen Kanals leitet. Sobald die Flüssigkeit die Bereiche am Ende dieses Kanals erreicht, kommt es zu einer Interaktion mit den Reagenzien – das Papier verändert dann seine Farbe. Diese Informationen lassen sich dann mit einem Farbschlüssel abgleichen, wie man dies bereits von pH-Wert-Messungen her kennt. Eines der Testdesigns sieht wie ein geometrischer Mini-Baum mit drei Ästen aus, bei dem Reagenzien an den Enden von zwei Ästen für Glucose-Untersuchungen verwendet werden, während der dritte Ast nach Proteinen sucht.

Das Design macht Schluss mit den teuren Komponenten, die normalerweise in konventionellen Mikrofluidik-Geräten stecken – chemische Reaktionen, die Teile des Papiers einfärben, ersetzten komplizierte Sensoren und Analysemodule. Gleichzeitig sorgt die natürliche Kapillarwirkung des Papiers dafür, dass man nicht einmal externe Pumpen oder Stromquellen bräuchte. "Diagnostic for all", ein Spinoff, das Whitesides und der Harvard-Dozent Hayat Sindi gegründet haben und das von Partnern am MIT unterstützt wird, will die Technologie nun kommerzialisieren.

Statt Kanäle in das Material zu ätzen, wie das bei den meisten anderen Mikrofluidik-Ansätzen der Fall ist, nutzen Whitesides und Sindi das Netzwerk von Kanälen, das im Papier sitzt – ein hydrophobes Polymer versiegelt die Bereiche, die die Forscher nicht verwenden wollen. "Sehr interessant an diesem System ist, dass wir das Gesamtvolumen des Substrats mit einem Muster überziehen. Das Papier selbst bildet das Kapillarnetzwerk", sagt Folch. Ein Nachteil ist allerdings, dass die fehlende Pumpleistung dafür sorgt, dass zumindest sehr komplexe chemische Reaktionen wahrscheinlich nicht möglich sein werden.

Neben der Verbilligung der Komponenten setzen die Forscher auch noch auf andere Charakteristika, die die Technologie für die Entwicklungsländer interessant macht. Die Tests wiegen fast nichts und lassen sich somit kaum zerstören. Die Diagnosekits sind damit leichter tragbar als Mikrofluidik-Chips, die auf zerbrechlichen Glasoberflächen sitzen. Der "Papierchip" lässt sich außerdem leicht entsorgen – er wird einfach verbrannt. So werden auch eventuelle Gesundheitsgefahren durch Infektionen ausgeschlossen, meint Whitesides. "Die Komponenten, die wir hier entwickeln, sind dafür gedacht, dass sie im Gesundheitssystem von Entwicklungsländern eingesetzt werden können"; sagt er. Statt Medizintechnik aus den Industrieländern zu verwenden und sie dann beispielsweise zu verkleinern, habe das Team von vornherein eine Technologie entwickeln wollen, bei dem die ärmeren Regionen als Markt angedacht waren. Einfache Nutzbarkeit, kleiner Preis und Portabilität waren dabei die wichtigsten Kriterien, sagt Whitesides.

Um das Gerät für diesen Markt weiter zu optimieren, sollen die Papiertests mit Handys kombiniert werden, die für die Ferndiagnose genutzt werden können. So müssen diejenigen, die die Untersuchungen durchführen, nicht speziell ausgebildet werden. "Das ist vor allem ein Weg, die wertvolle Zeit und die eingeschränkten Ressourcen von Schwestern und Ärzten nicht überzustrapazieren", sagt Whitesides. Das Team stellt sich vor, dass in ländlichen Gebieten, wo nur wenige Ärzte verfügbar sind, ein einfaches Training erfolgt, das die Durchführung der Tests erklärt. Die Ergebnisse sollen dann mittels Mobilfunknetz an zentrale Einrichtungen zurückgeschickt werden, wo dann ein Arzt die Informationen betrachten und eine Diagnose und Behandlung vorschlagen kann, ohne vor Ort sein zu müssen.

Bis jetzt haben Whiteside und Kollegen ihr Papierdiagnosekit mit Hilfe künstlichen Urins getestet. In einem im vergangenen Monat veröffentlichten Paper zeigen sie, wie die Ergebnisse aus der Ferne analysiert werden können – mit Hilfe einer Handykamera. Der nächste Schritt sind nun klinische Studien in Afrika, sagt Folch-Partner Sindi. Derzeit testet das Team die Prototypen unter harten Bedingungen, wie hohem Luftdruck, hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit. Bis jetzt hätte dies der Technologie noch nicht zugesetzt, sagt Whitesides. Das Team hofft, bald Diagnosen am Menschen vornehmen zu können, will die Technologie aber später auch zur Untersuchung von Wasser, Vieh und anderen Nahrungsquellen verwenden.

"Solche diagnostischen Tests erlauben das Lösen zahlreicher Probleme in der realen Welt", meint Mehmet Fatih Yanik, Juniorprofessor am Forschungslabor für Elektronik des MIT. "Das Schöne an Papier ist dabei, dass es eine sehr flexible Plattform für das Durchführen verschiedener Versuche darstellt." Mikrofluidik-Geräte wie die von Whitesides seien wesentlich billiger in großen Mengen herstellbar als andere Diagnosegeräte. "Die Kombination zweier billiger Systeme, papierbasierter Tests und Handys, die es in den Entwicklungsländern in großen Mengen gibt, ist eine ganz neue Idee", meint der Forscher. Die Eintrittsbarriere für die Mikrofluidik reduziere sich deutlich. (bsc)