Labor auf einem Partikel: 3D-formkodierte Mikropartikel für multiplexe Krebsdiagnostik

• Antragsteller: Professor Dr. Ghulam Destgeer; Professor Dr. Andreas Dietzel
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494539689

Biochemische Reaktionen, die in miniaturisierten Kompartimenten durchgeführt werden, haben zu zahlreichen Anwendungen bei der Analyse von Zielbiomarkern für diagnostische Bioassays geführt. Herkömmliche Methoden zur Bildung einheitlicher Reaktionsvolumina im Pikoliter-Maßstab erfordern mikrofluidische Geräte, spezielle Instrumente, teure Reinraumanlagen und erfahrene Anwender. Um diese Beschränkungen zu überwinden, schlagen wir einen gerätekostenfreien, benutzerfreundlichen und weithin anwendbaren "Labor auf einem Partikel"-Ansatz zur spontanen Bildung von Tausenden von isolierten Reaktionsvolumina durch einfaches Mischen von Reagenzien mit unseren speziell entwickelten amphiphilen Mikropartikeln vor. Unser Arbeitsablauf ist in zwei Teile gegliedert: (1) Partikelherstellung und (2) Partikel-templierte Tröpfchen für Bioassays. Zunächst werden wir Mikropartikel in loser Form mit Hilfe eines 3D-gedruckten mikrofluidischen Geräts und eines automatisierten Hochdurchsatz-Stopp-Flow-Lithografieverfahrens herstellen. Die mikrofluidische Vorrichtung, die mit einem hochauflösenden 3D-Drucker mit Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellt wird, formt mehrere Vorläuferströme mit einer Kaskade koaxialer Düsen. Der geformte Strom wird vollständig gestoppt und durch eine Fotomaske mit hochintensivem UV-Licht bestrahlt, um 3D-formcodierte Partikel mit einem Außendurchmesser von <100µm und einem Hohlraumdurchmesser von <50µm auszuhärten. Eine detaillierte Untersuchung der Dynamik des stationären Flusses und des Stoppflusses wird die Grundlage für die Bestimmung der besten Bedingungen für die Formtreue der Partikel in radialer und axialer Richtung bilden. Folglich werden die formcodierten Partikel mit inneren hydrophilen und äußeren hydrophoben Schichten erstmals so klein sein, dass sie wässrige Tröpfchen mit einem Volumen von <100 pL einkapseln können. Die inneren Schichten der geformten kodierten Partikel werden funktionalisiert, um Ziel-Biomoleküle einzufangen. Die pL-Volumenkompartimente beschleunigen die in den wässrigen Tröpfchen ablaufenden enzymatischen Reaktionen und reichern die fluorogenen Nebenprodukte rasch an, um die Assaysignale zu verstärken und eine im Vergleich zum Stand der Technik hohe Nachweisempfindlichkeit zu erreichen. In den formkodierten Partikel-templierten Tröpfchen wird ein diagnostischer Multiplex-Amplifikationstest durchgeführt, um drei verschiedene Biomarker, die mit Eierstockkrebs in Verbindung stehen, in klinisch relevanten Konzentrationen nachzuweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen