Das Projekt wird durch das BMBF über den Zeitraum 2013-2018 gefördert.

Projektleitung: Prof. Dr. Peter Schierack und Dr. Stefan Rödiger

Im Rahmen des Vorgängerprojektes InnoProfile „Neue Technologien für die molekulare Diagnostik – Real-time-PCR-Array“, gefördert durch das BMBF über den Zeitraum 2007-2012 wurde eine Geräteplattform für Anwendungen in der Grundlagenforschung und der medizinischen Diagnostik entwickelt. Diese so genannte „VideoScan“-Technologie basiert auf der Fluoreszenzmikroskopie und dient zum automatisierten und standardisierten Nachweis von Biomolekülen, Mikropartikeln, Bakterien, eukaryotischen Zellen und anderen fluoreszierenden Objekten.    

Fachliche Ziele des InnoProfile-Transfer-Projektes „Bildbasierte Assays“ ist die Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten der VideoScan-Technologie. Hierzu zählen die Anwendung von Mikropartikelsystemen unter kontrollierten thermischen Schwankungen (z.B. PCR), die Erforschung neuer zellbasierter Nachweissysteme (z.B. Autoimmundiagnostik) und die Kombination von mikropartikelbasierten mit zellbasierten Nachweisverfahren.

Einen wichtigen Aspekt spielen dabei die Anwendung und Entwicklung von Methoden aus der Statistik und Bioinformatik. Im Rahmen unser Arbeiten befassen wir und mit der Analyse von multivariaten nicht-linearen Datensätzen. Diese kommen beispielsweise von multiplexen quantitativen real-time PCRs vor, aber auch Schmelzkurvenanalysen und den von uns entwickelten Mikropartikelarrays.

Einige Fragen, die beantwortet werden sollen, sind:

•             Wie hoch kann der Multiplex-Grad einer mikropartikelbasierten Real-time-PCR unter Nutzung verschiedener technischer Ansätze werden?

•             Wie schnell, robust, reproduzierbar und automatisiert können Mikropartikelassays abgearbeitet werden?

•             Wie weise ich schneller und kostengünstiger Infektionserreger über zellbasierte Systeme nach?

•             Wie kann ich bakterielle Biofilme beschreiben und bekämpfen?

•             Kann ich durch neue Fluoreszenzfarbstoffe, Färbeprotokolle und neue Standards die Aussagekraft eines Assays verbessern bzw. dessen Reproduzierbarkeit erhöhen?

•             Erhöht die Kopplung zellbasierter Assays und mikropartikelbasierter Assays den diagnostischen Wert einer Untersuchung?

Die InnoProfile-Transfer-Initiative "Bildbasierte Assays"

Die finanzielle Entlastung des Gesundheitssystems ist eine der wichtigsten Herausforderungen der Gegenwart. In der Diagnostik gibt es daher intensive Anstrengungen, die Proben simultan auf mehrere Parameter zu untersuchen, um dem stetigen Kostendruck und Zeitmangel entgegenzuwirken. Der Trend der vergangenen Jahre geht deutlich in Richtung der personalisierten Medizin. Hinzu kommt, dass das Probenmaterial, wie zum Beispiel Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit, in den seltensten Fällen in großen Mengen vorliegt, so dass man mit wenig Probenmaterial möglichst viele Tests durchführen muss, um eine Erkrankung abzuklären. Dabei spricht man von Multiparameterdiagnostik.

Vorhandene Technologien ermöglichen die Differenzierung bestimmter Virustypen, aber sie sind oft aufwendig abzuarbeiten, haben nur ein geringes Potential für multiparametrische Analysen oder können nicht modular verwendet werden.

An der im Juli 2013 neugegründeten Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus - Senftenberg setzt die InnoProfile-Transfer-Initiative "Bildbasierte Assays" mit einem multidisziplinären Team ihre erfolgreiche Arbeit auf dem Gebiet der Multiparameterdiagnostik fort. Die Arbeitsgruppe wird von Stiftungsprofessor Dr. Peter Schierack und Dr. Stefan Rödiger geleitet. Vorausgegangen war das fünfjährige InnoProfil "Neue Technologien für die molekulare Diagnostik" unter Leitung von Prof. Dr. Christian Schröder und Prof. Dr. Peter Schierack. Hier wurden innovative Nachweissysteme für die VideoScan-Technologie entwickelt.

Die VideoScan-Technologie vereint eine Vielzahl analytischer Methoden in ein vollständig automatisiertes Fluoreszenzmikroskopsystem, das auf der Basis der digitalen Bildverarbeitung arbeitet und für high troughput-Anwendungen geeignet ist. Damit können temperaturgesteuerte Zell- und Mikropartikelassays abgearbeitet werden. Diagnostische Fragestellungen werden dabei in sogenannten Modulen definiert, so dass mit der VideoScan-Technologie DNS-Mikropartikelassays, Proteinmikropartikelassays (z.B. Detektion von Autoantikörpern), Zellassays (z.B. Algen, Säugerzellen) und Assays in Lösung (z.B. Enzymreaktionen) aufgebaut werden können.

Eine Philosophie, die bereits frühzeitig verankert wurde, ist der Fokus auf klinisch relevante Fragestellungen, die eng mit den langjährigen Industriepartnern Attomol GmbH, Generic Assays GmbH, Medipan GmbH und PolyAn GmbH abgestimmt werden.

Die Ziele

Im InnoProfile-Transfer-Vorhaben "Bildbasierte Assays" wird eine exzellente Forschungsumgebung bereitgestellt und der Weg geebnet, um die Ergebnisse einer geschlossenen Wertschöpfungskette zukommen zu lassen. Alle Arbeiten laufen in enger Kooperation mit der InnoProfile-Transfer-Initiative "Multiplex-Bead-Assays" ab.

Die Projektförderung trägt maßgeblich dazu bei, dass sich die Multiparameterdiagnostik immer mehr als Kompetenz in der Lausitzer Region etabliert. Noch vor wenigen Jahren waren die Firma Attomol GmbH und die Biotechnologie an der ehemaligen Fachhochschule Lausitz (FH) nur Fachleuten bekannt. Mit der Initiative wurden die Senftenberger Entwicklungen auf dem Gebiet der Multiparameterdiagnostik national und international sichtbar gemacht.

Zusammen mit den Industriepartnern sollen die Forschungsergebnisse aus dem Proof-of-Principle-Status in reife Produkte für die globale Vermarktung überführt werden. Alle Beteiligten sind sich einig, dass die Wertschöpfung im Bereich der Multiparameterdiagnostik gerade erst begonnen hat. Nicht zuletzt sind dadurch neue Arbeitsplätze entstanden sowie die Ausbildung von gefragten Fachkräften für Kliniken, Forschungseinrichtungen und Unternehmen etabliert worden.

Die thematischen Schwerpunkte

Fachliche Ziele sind die Weiterentwicklung von Mikropartikelsystemen für die Anwendung unter kontrollierten Temperaturregimen (mikropartikelbasierte Multiplex-Real-Time-PCR und Schmelzkurvenanalyse), die Weiterentwicklung zellbasierter Nachweissysteme und die Kombination von mikropartikelbasierten mit zellbasierten Nachweisverfahren für die Routinediagnostik, aber auch für den Life Science-Bereich.

Mikropartikelbasierte Real-Time-PCR-Technologien

Im vorangegangenen Projekt wurde ein funktionsfähiges, automatisiertes Messsystem etabliert, bei dem die Einheit aus Hard- und Software Echtzeitmessungen unter definiert modulierten Temperaturen ermöglicht. Angewendet wurde das Prinzip in multiplex Real-Time-PCRs und Schmelzkurvenanalysen auf Mikropartikeln.

Mit der mikropartikelbasierten Real-Time-PCR sollen nun humane Papillomaviren, Punktmutationen bei Thrombophilie und Infektionserreger, wie Escherichia coli, detektiert und differenziert werden. Gegenwärtig wird an der nächsten Hard- und Softwaregeneration gearbeitet, die eine Erhöhung des Probendurchsatzes zur Folge haben wird und den nächsten Schritt zu einem marktreifen Produkt macht.

Seitens der Hardware ist eine Erweiterung der Kavitätenanzahl geplant, so dass für diagnostische Anwendungen 32 Kavitäten verfügbar sein werden. Der Multiplexgrad von Real-Time-PCRs ist im Allgemeinen begrenzt, da die zunehmende Komplexität der Reaktionskomponenten zu konkurrierenden Prozessen führt. Ansätze sind die Reduktion der Komplexität durch die Schaffung von definierten Mikroreaktionsräumen (Emulsions-PCR) oder durch eine Kopplung von Primern an Mikropartikel (Festphasen-PCR). Darüber hinaus werden innovative Sondensysteme wie das LoopTag-PCR-System auf den Mikropartikelassay übertragen. Das LoopTag-PCR-System ist eine patentierte Technologie des Projektpartners Attomol GmbH. Bisher wurde es für die Anwendung in Lösung verwendet. Eine Übertragung dieses Sondensystems auf eine mikropartikelbasierte Plattform stellt einen deutlich erhöhten Multiplexgrad in Aussicht.

Innovative Bakterien- und Zellassays

In der medizinischen Diagnostik erfolgt der Nachweis von Bakterien über eine Anzucht auf Kulturmedien und über den Nachweis der bakteriellen DNS. Das InnoProfile-Transfer-Vorhaben beabsichtigt, anhand von zellbasierten und mikropartikelbasierten Systemen schnelle und kostengünstige Verfahren zu entwickeln, um in der Lage zu sein, komplexe biologische Systeme beschreiben zu können.

Es ist wichtig, die Eigenschaft von Bakterienpopulationen multiparametrisch beschreiben zu können. Beispielsweise sind die Adhäsion von Bakterien an Oberflächen und Wirtszellen in der Mikrobiologie sehr bedeutsam. Aber auch die Ausbildung von bakteriellem Biofilm ist von klinischer Relevanz, da er ein Gesundheitsrisiko darstellen kann. Bakterielle Biofilme sind Auflagerungen von Bakterien auf Oberflächen wie zum Beispiel in Schläuchen von medizinischen Geräten oder auf künstlichen Gelenken. Durch ihren vielschichtigen und komplexen Aufbau ist eine Bekämpfung durch Antibiotika schwer möglich. Die manuelle Analyse ist außerordentlich zeit- und kostenintensiv. Mittels der Fluoreszenzmikroskopietechnologie wird ein Nachweisverfahren entwickelt, mit denen das Verhalten von Bakterien und die zelluläre Reaktion der Wirtszellen in vitro mittels vollautomatisierter, standardisierbarer Hochdurchsatzverfahren erforscht werden kann.

Die Nachweisverfahren werden auf etablierten Methoden wie der Fluoreszenz in situ-Hybridisierung (FISH) und der Lebend-/Totfärbung basieren. Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen Salmonellen und Escherichia coli und deren Interaktion mit humanen und porcinen Zelllinien. Die Ambition ist, den Grad der krankmachenden Eigenschaften eines Bakteriums im Wirt zu definieren. Die Kombination zellbasierter und mikropartikelbasierter Assays hat ein hohes diagnostisches Potential. Dies beinhaltet die Fähigkeit, sezernierte Bodenstoffe und Zytotoxine qualitativ und quantitativ zeitaufgelöst an Mikropartikeloberflächen erfassen zu können. Die Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, Biomoleküle zeitaufgelöst in einem homogenen Format zu erfassen und zu quantifizieren.

Die Partner

Im Rahmen der InnoProfile-Initiative sind brandenburgische KMUs, sowie nationale und internationale Forschungseinrichtungen und Universitäten einbezogen.

Stifter

  • Attomol GmbH, Lipten
  • Generic Assays GmbH
  • Medipan GmbH
  • PolyAn GmbH

Klinische Partner

  • Carl-Thiem-Klinikum Cottbus gGmbH
  • Klinikum Niederlausitz GmbH, Senftenberg

Weitere Partner

  • Akademie der Medizinwissenschaften Moskau (Russland)
  • Belarusian Medical Academy of Post-Graduate Education (Minsk, Weißrussland)
  • Titertek-Berthold Detection Systems GmbH, Pforzheim
  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
  • Technische Universität Dresden
  • Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, Potsdam-Golm
  • Impfstoffwerk Dessau/Tornau GmbH
  • Institut Kardiale Diagnostik und Therapie GmbH, Berlin
  • Otto-von-Guericke Universität, Magdeburg
  • Universität Leipzig
  • Universität Potsdam
  • University of Environmental and Life Sciences Wroclaw (Polen)
  • Laborärzte Sindelfingen

Kontakt

Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus - Senftenberg
Fakultät für Naturwissenschaften
Universitätsplatz 1
01968 Senftenberg

Prof. Dr. habil. Peter Schierack, Stiftungsprofessor
E-Mail: peter.schierack(at)b-tu.de

Dr. Stefan Rödiger, Leiter der Arbeitsgrupe "Bildbasierte Assays"
E-Mail: stefan.roediger@b-tu.de

https://www.researchgate.net/profile/Stefan_Roediger

www.unternehmen-region.de/de/7398.php

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