Joanneum Research: Chips vom mobilen Fließband

Forschungsarbeit am Joanneum Research Center in Graz

Forschungsarbeit am Joanneum Research Center in Graz

Das Grazer Joanneum Research entwickelt Lösungen für Wirtschaft, Industrie und Medizin. Das Mikrolabor zur Entdeckung von antibiotikaresistenten Keimen wurde mit dem "Fast Forward Award 2018" ausgezeichnet.

Martin Smolka widmete sich zuvor eigentlich Sensoren zur Messung von Pflanzennährstoffen. Doch dann verschlug es den studierten Techniker zu Joanneum Research. Genauer: ins Department „Materials“ in Weiz. Wie schon in seiner vorherigen Arbeit beschäftigt er sich auch dort mit dem Themengebiet Mikrofluidik. Da geht es um Mikrokanäle, durch die Flüssigkeiten herumgeschickt werden. Damit gewinnt man über diese Flüssigkeiten wichtige Infos; mitunter auch sehr heikle, wie zum Beispiel die Anwesenheit von antibiotikaresistenten Keimen. 2015 wurde genau zu diesem Thema ein EU-Projekt gestartet. Dieses hat neun Partner an Bord und wird vom Joanneum Research geleitet. Kein Wunder also, dass dort auch Martin Smolka dabei ist.

Das Projekt heißt R2R Biofluidics (R2R: Rolle zu Rolle). Entscheidender Partner dabei ist „Genspeed Biotech“ – eine innovative oberösterreichische Firma, die Geräte zum Messen von Keimen anbietet. Für diese Geräte benötigt man Chips, damit man überhaupt erst messen kann. Für jede Messung braucht man einen neuen Chip, womit die Hauptkosten der Messmethodik entstehen. Martin Smolka: „Zusammen mit Genspeed Biotech machen wir den Chip nun ganz anders. Wir stellen ihn in einem „Rolle zu Rolle“-Verfahren her. Statt in aufwendigen Einzel-Chip-Prozessen, werden die Chips nun auf großen Rollen geprägt und gedruckt. Danach kann man im DNA-Schnelltest Bakterien untersuchen und beurteilen, ob diese antibiotikaresistent sind oder nicht.“ Der Chip ist übrigens 2,5 Zentimeter breit und 7,5 Zentimeter lang und auf einer Polymerfolie aufgedruckt.

Keime schnell erkennen

Das EU-Projekt, an dem mehr als 50 Personen involviert sind, läuft noch bis 2019, hat aber jedenfalls schon jetzt gehörige Wellen geschlagen. Denn der Kampf gegen antibiotikaresistente Keime in Spitälern ist ein virulentes. Sie könnten, so gehen Experten aus, die größte Gefahr in nächster Zukunft sein. Daher müssen diese Keime schon früh erkannt und gebannt werden. Auch im Vorfeld werden die Arbeiten an Keimerkennungen intensiver, damit die Leute, seltener als bisher, Antibiotika verabreicht bekommen. Damit reduzierte sich auch die Gefahr von Resistenz-Bildungen. Es ist also ein Wettlauf mit der Zeit. Und den gewinnt das neue Mikrolabor in jedem Fall. Smolka: „Es besteht hier ein großes Potential für rasche Messungen. Eine Messung dauert zehn Minuten. Vorher ist noch eine Probenvorbereitung nötig, die etwa 50 Minuten dauert. In Summe sind wir in einer Stunde fertig. Derzeit wird so etwas noch im Labor getestet und das verschlingt ein bis drei Tage.“

Joanneum Research: Gewinner des steirischen Fast Forward Award 2018

Und so funktioniert das Wunderding: Im Chip wird eine Nachweisreaktion in miniaturisiertem Format realisiert. Man spricht von einer „Lab-on-a-Chip“-Technologie, mit der komplizierte Laboroperationen auf ein kleines Chip-Format transferiert werden, die dann sozusagen von selbst ablaufen. Der Chip nimmt die zu untersuchende Probenflüssigkeit in ein Mikrokanal-Netzwerk (Fluidik) auf, in deren Detektionskammer DNA-Testmoleküle fixiert sind. An diesen wird ein Hybridisierungs-Assay durchgeführt - bildlich gesprochen durchsuchen dabei die Testmoleküle das Proben-Erbgut nach DNA-Sequenzen, welche die Antibiotikaresistenz der untersuchten Bakterien anzeigen. Werden solche Sequenzen gefunden, so halten die Testmoleküle die DNA aus der Probe an der Kammerwand fest (Immobilisierung) und in einer weiteren Reaktion wird ein Lichtsignal erzeugt. Das Signal dieser „Warnleuchten“ wird von einem portablen Analysegerät aufgezeichnet, welches auch die automatisierte Versorgung des Chips mit Reaktionsflüssigkeiten sicherstellt.

Neues Chip-Design

Die größte Hürde bestand bei diesem Projekt an den technischen Voraussetzungen: Das entstehende Lichtsignal muss mit hoher Empfindlichkeit an der Außenseite des Chips gemessen werden. Dafür war ein Konzept nötig, mit dem das Signal höchst effizient von der Innenseite des Chips nach außen gelenkt wird. Dies wurde durch geprägte Mikrostrukturen zur gezielten Lichtlenkung realisiert. Mit dieser Technologie konnte die Empfindlichkeit der Sensoren um den Faktor 1,7 gesteigert werden. Darüber hinaus müssen Mikrokanäle erzeugt werden, in denen geringe Mengen von Analyten transportiert, in Mikroreaktionen verarbeitet und schließlich analysiert werden. Üblicherweise werden solche Komponenten im Spritzguss erzeugt – ein etabliertes Verfahren, bei dem aber eine kostspielige Einzelchip-Weiterverarbeitung erfolgen muss. Mit der Produktion von Mikrokanälen in Rolle-zu-Rolle Prozessen wurde eine große Herausforderung bewältigt, da in der gesamten Produktionskette Umstellungen nötig waren. Dafür wurde etwa ein neues Chip-Design entwickelt, verwendete Materialien angepasst und entsprechende Druckprozesse entwickelt.

Das Einsatzgebiet der Joanneum-Innovation ist jedenfalls auf Krankenhäuser konzentriert. Dort könnte es in drei Situationen maßgeblich helfen: Beim Test auf Antibiotikaresistenzen an Personen – um die die richtige Wahl der Therapie zu treffen. Bei der Eingangskontrolle, wenn jemand ins Spital kommt. Und für Quarantäne-Stationen, wenn etwa Keime vorhanden sind. Vor kurzem wurden erst wieder Studien herausgebracht, denen zufolge 2.500 bis 4.500 Menschen pro Jahr an Krankenhauskeimen sterben. Das sind fünf bis zehn Mal so viele Tote wie im Straßenverkehr. Damit diese Gefahr im Keim erstickt wird, können solche Innovationen einen wichtigen Beitrag leisten. Diesen Beitrag haben auch die Verantwortlichen der Steierischen Wirtschaftsförderungsgesellschaft SFG (www.sfg.at) erkannt und das Joanneum Research auf die Kandidatenliste des von ihr jährlich vergebenen Fast Forward Award gesetzt. Und zwar in der Kategorie „Universitäten und Forschungseinrichtungen“. Prompt hat das Joanneum Research den wichtigsten Förderungspreis des Landes gewonnen.

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