Papierdiagnosetests Könnten Tausende Von Menschenleben Retten

Die Technologie für einfache und kostengünstige diagnostische medizinische Werkzeuge ist verfügbar. Hier erfahren Sie, wie Sie es von den Labors an die Front bringen.

Wenn jemand mit hohem Fieber eine ländliche afrikanische Klinik betritt, kann die Diagnose trübe sein. Die Symptome können Dengue-Fieber, Ebola, West-Nil-Krankheit, Malaria oder Grippe sein, und Blutuntersuchungen in entfernten Labors dauern, falls verfügbar, oft Tage. Jetzt arbeiten eine Handvoll Forscher separat an kostengünstigen, papierbasierten Diagnosetests, die die Ursache einer Krankheit innerhalb von Minuten genau bestimmen und die Behandlung beschleunigen und ihre Ausbreitung verhindern könnten. Der Mangel an Geldern und Handelspartnern bedeutet jedoch, dass die meisten in Labors schmachten könnten.

Experimentelle Papiersensoren, die chemische oder biologische Moleküle erfassen, haben sich als einfach zu verwenden erwiesen, ohne dass teure Geräte oder geschulte Spezialisten erforderlich sind. Sie können ein paar Cent kosten und versprechen, empfindlicher zu sein als die heute auf dem Markt befindlichen Schnelldiagnose-Kits. Darüber hinaus könnten sie breitere Anwendungen haben, beispielsweise die Behandlung vernachlässigter Tropenkrankheiten, vor allem, weil sich Pharmaunternehmen auf weit verbreitete Krankheiten konzentrieren, die einen größeren Markt haben. Diese papierbasierten Tests retten nicht nur jedes Jahr Hunderttausende von Menschenleben in Entwicklungsländern, sondern können auch die Kosten für die Gesundheitsversorgung senken, indem sie in entwickelten Regionen Tests auf Krankheiten zu Hause ermöglichen.

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile besteht jedoch das Risiko, dass die meisten dieser Geräte ihr Versprechen niemals erfüllen.

Mini-Labors

Pharmaunternehmen verkaufen bereits Millionen von Schnelltests auf Papierbasis, deren Preis zwischen den Artikeln liegt. Sein Team verwendet Tintenstrahldrucker, um diese Funktionen festzulegen, sodass die Herstellung nur wenige Cent kostet. Er hat auch 3-D-Geräte patentiert, bei denen Flüssigkeiten für komplexere Prozesse entlang und zwischen den Schichten fließen.

Im Gegensatz zu den heute verkauften Lateral-Flow-Tests können „Mikrofluidikgeräte aus Papier komplexere Tests durchführen, die mehrere Verarbeitungsschritte erfordern“, sagt Ali Yetisen, Chemieingenieur und Biotechnologe an der Harvard Medical School. Zum Beispiel könnten sie einen Test auf Genauigkeit oder auf mehrere Krankheiten gleichzeitig wiederholen oder genaue Mengen an Zielmolekülen messen. Und sie erfordern keine Probenvorbereitung.

Paul Yager, Biochemiker an der University of Washington, hat inzwischen ein tragbares Kunststoffgerät in der Größe von zwei gestapelten Kartenspielen entwickelt, das Streifen aus gemustertem Papier und Vertiefungen mit Reagenzien und Farbstoffen enthält und in das ein Benutzer eine Flüssigkeitsprobe einführen würde. Die Punktmuster, die nach 20 Minuten erscheinen, können von einem Kliniker gelesen oder per Smartphone-Kamera an einen anderen Arzt gesendet werden. Yager sagt, dass die Box mit einem Standard-Footprint für einen Nukleinsäuretest auf Papierbasis, bei dem Sie einfach ein oder zwei Moleküle austauschen, um auf eine andere Krankheit zu testen, so wenig wie möglich kosten könnte “, sagt Yager. Derzeit wird der Nachweis von Nukleinsäuren unter Verwendung des PCR-Tests (Polymerase Chain Reaction) im Labor durchgeführt, bei dem Kopien von DNA-Strängen erstellt werden. "Wenn jemand eine vollständig papierbasierte PCR entwickeln würde, wäre das revolutionär", sagt Yetisen.

Da die PCR eine Reihe von Temperaturzyklen erfordert, verwenden Yager und Whitesides die sogenannte isotherme Amplifikation, die in einem konstanten Temperaturbereich von 60 bis 65 Grad Celsius durchgeführt wird. Die Herausforderung besteht darin, einen billigen Einwegheizmechanismus zu finden. Yagers Gruppe hat einen Prototyp hergestellt, der die antibiotikaresistenten MRSA-Bakterien genau erkennen kann, und arbeitet am Zika-Virustest. Das Gerät verwendet jedoch Batterien, um einen Heizkreis mit Strom zu versorgen. Die Forscher experimentieren mit der Verwendung von Beuteln in Teebeutelgröße, die mit 100 Mikrometer breiten Eisen- und Magnesiumpellets gefüllt sind, ähnlich wie bei Handwärmern, um die erforderliche Wärme chemisch zu erzeugen. Inzwischen haben Whitesides und seine Kollegen eine Papiermaschine hergestellt, mit der Nukleinsäuren mithilfe einer tragbaren UV-Quelle und eines Kamerahandys nachgewiesen werden können. Der Test kostet weniger als jeder andere versucht, Papiermikrofluidik in Entwicklungsländern zu testen und einzusetzen. Diagnostics for All, eine gemeinnützige Organisation von Whitesides, die 2007 gegründet wurde, befindet sich in der letzten Phase der behördlichen Zulassung eines Lebertoxizitätstests für Patienten, die wirksame leberschädigende Medikamente einnehmen. Das Gerät misst den Spiegel eines Enzyms, das von Leberzellen beim Abbau freigesetzt wird. Das Unternehmen entwickelt außerdem einen Nukleinsäuretest für Hepatitis C und HIV, sagt Firmenchef Marcus Lovell-Smith.

Das in Bellevue, Washington, ansässige Unternehmen Intellectual Ventures testet zwei Produkte: Eines ist eines. Dort entwickeln die Forscher auch einen einfachen Urintest für Tuberkulose. Die heutigen Streifen erfordern das Abhusten von Schleim, was für kranke Patienten schwierig ist.

Bis heute sind die meisten Mikrofluidikpapiere Proof-of-Concept. Ein Teil des Problems besteht darin, ein Laborwunder auf etwas zu lenken, das in oft heißen, feuchten Klimazonen robust und zuverlässig ist. "Es ist sehr einfach, relativ coole Geräte herzustellen, aber schwierig, sie reproduzierbar zu machen", sagt Weigl.

Die größte Herausforderung ist der Mangel an Finanzmitteln für Versuche, behördliche Genehmigungen und Herstellung. "Wir haben einen Weg gezeigt und aufregende frühe Arbeit geleistet", sagt Smith. „Aber das sind immens teure Projekte. Es sind zig Millionen Dollar, um diese Tests zu genehmigen."

Yetisen weist auf den allgemeinen Finanzierungsmangel im Bereich der Tropenkrankheiten hin, da die Rendite für Pharmaunternehmen gering ist. Whitesides befindet sich derzeit in Gesprächen mit zwei großen Industriepartnern außerhalb der USA, die an Mikrofluidikgeräten aus Papier für andere Zwecke als Tropenkrankheiten interessiert sind. "Die Hoffnung", sagt er, "besteht darin, dass ein Partner eine Plattform für eine Anwendung entwickelt, an der er interessiert ist, und dann das Kapital nutzt, um das zu entwickeln, was in Mumbai oder Kinshasa nützlich sein könnte."