Wie Mikrochip-Bildgebungszytometrie Labortests wirtschaftlicher, benutzerfreundlicher und zugänglicher macht

Eine neue Veröffentlichung von Optoelektronische Fortschritte befasst sich mit wissenschaftlichen und technischen Fortschritten auf dem Gebiet der Mikrochip-Bildgebungszytometrie (MIC) und zeigt die Anwendungen der Mikrochip-Bildgebungszytometrie, die der Öffentlichkeit eine wirtschaftlichere, benutzerfreundlichere und zugänglichere Gesundheitsversorgung bringen können.

Die wirtschaftliche Globalisierung und die alternde Bevölkerung vieler Länder der Welt erzeugen einen enormen Bedarf an schnellen und kostengünstigen Point-of-Need-Labortests. In den letzten zwei Jahren hat sich die ganze Welt den Herausforderungen der COVID-19-Pandemie gestellt. Die Allgemeinbevölkerung in vielen Ländern führt routinemäßig Nukleinsäuretests und/oder Antigen-Schnelltests zu Screening-Zwecken durch. Beschäftigte im Gesundheitswesen benötigen wirtschaftlichere und benutzerfreundlichere diagnostische Testwerkzeuge zur Unterstützung ihrer Gesundheitspraxis. Öffentliche Gesundheitsbehörden benötigen außerdem leistungsstarke Diagnosewerkzeuge, die ihnen helfen, wichtige politische Entscheidungen zu treffen.

Bei einem typischen Kliniktermin durchlaufen Labortests Verfahren wie Laboranforderung, Probenentnahme, Probenverarbeitung und Berichterstattung. Die durchschnittliche Bearbeitungszeit kann von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen variieren. Bei vielen Krankheitsdiagnosen und -überwachungen, die sofortige Informationen und eine schnelle Entscheidungsfindung erfordern, konnten die herkömmliche Technologie und der herkömmliche Arbeitsablauf die klinischen Anforderungen nicht effektiv erfüllen.

Inzwischen gibt es die Option „Schnellteststreifen“ wie den COVID-Antigen-Teststreifen und den hCG-Schwangerschaftsteststreifen, die sofortige Testergebnisse liefern. Diese Schnellteststreifen werden zu einem wichtigen diagnostischen Hilfsmittel für das Screening und die Überwachung, obwohl die Anwendung der Teststreifen normalerweise auf qualitative Tests beschränkt ist. Darüber hinaus konnten diese Schnellteststreifen aufgrund ihrer relativ geringeren analytischen Sensitivität keine Biomarker nachweisen, die eine geringe Menge in der Probe aufweisen. Daher besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung eines quantitativen, einfach zu handhabenden und zugänglichen diagnostischen Instruments und Reagenzien.

Angesichts der aufkommenden Bedürfnisse im Gesundheitswesen entwickeln Wissenschaftler und Ingenieure kontinuierlich kreative diagnostische Lösungen unter Verwendung einer Vielzahl von technologischen Ansätzen. Unter diesen Technologien wird die Mikrofluidik zu einem äußerst wertvollen Ansatz, um möglicherweise viele der Anforderungen zu erfüllen. Die auf mikrofluidischen Technologien basierende Mikrochip-Bildgebungszytometrie ist eine solch innovative Analyseplattform, die die Landschaft des Bereichs der klinischen Labortests verändern kann.

Microchip Imaging Cytometry (MIC) ist eine Plattformtechnologie, die menschliche biochemische Substanzen wie Zellen, Proteine ​​und Nukleinsäuren schnell erkennen und analysieren kann. MIC-Geräte zeichnen sich durch Tragbarkeit, Kosteneffizienz und Anpassungsfähigkeit aus und bieten gleichzeitig quantitative Messungen, um die Anforderungen von Labortests in einer Vielzahl von Einrichtungen des Gesundheitswesens zu erfüllen. Basierend auf der Verwendung von mikrofluidischen Chips benötigt MIC weniger Proben und kann die Probenvorbereitung automatisch abschließen. Daher können sie quantitative Testergebnisse liefern, indem sie einfach eine Fingerstichprobe verwenden. Der verringerte Reagenzienverbrauch und der reduzierte Formfaktor tragen auch dazu bei, die Zugänglichkeit und Erschwinglichkeit von Gesundheitsdiensten in abgelegenen und ressourcenbeschränkten Umgebungen zu verbessern.

Der Artikel gibt einen Überblick über bemerkenswerte klinische Anwendungen von MIC-Technologien, wie z. B. HIV-Patientenüberwachung, Sichelkrankheits-Screening, Diagnose von Infektionskrankheiten usw. Je nach Automatisierungsgrad und Bilderfassungsformaten wurden MIC-Geräte in drei Ansätze eingeteilt: Static-Chip- Static-Fluid (SCSF), Static-Chip-Moving-Fluid (SCMF) und Moving-Chip-Static-Fluid (MCSF). Hellfeld-Bildgebung, Fluoreszenz-Bildgebung und linsenfreie Bildgebungstechniken wurden in MIC-Systemen übernommen. Es wurde gezeigt, dass Bilderfassungstechniken wie zeitverzögerte Integration und zeitlich codierte Anregung eine höhere Empfindlichkeit bei der Erkennung sich schnell bewegender Objekte bei schwachem Licht erreichen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Durchflusszytometern analysiert MIC Objekte wie Zellen und Partikel durch einen relativ breiten und flachen mikrofluidischen Chipkanal. Als Ergebnis der bahnbrechenden Entwicklung von Halbleitersensorgeräten und Informationstechnologie in den letzten Jahren können die Lichtquellen- und Bilderfassungskomponenten von MIC auch eine höhere optoelektronische Leistung erzielen.

Dank der Innovation und Entwicklung der Biotechnologie, der Mikro-Nano-Fertigung, der Halbleitermaterialien, der Informationstechnologie und anderer Bereiche wird MIC in Zukunft wichtigere klinische Testanwendungen finden und die Entwicklung wirtschaftlicherer, benutzerfreundlicherer, und zugängliche Point-of-Need-Tests.

Jüngste Fortschritte in den Bereichen Photonik, integrierte Optik und Bildgebungstechnologien versprechen, die Empfindlichkeit und Funktionalität von MIC-Systemen zu erhöhen und gleichzeitig ihre Größe und Kosten zu senken. Farben können mit mehreren Techniken direkt auf den Silizium-CMOS-Bildsensoren differenziert werden. Fortschritte in Richtung Detektoren mit höherer Empfindlichkeit wurden auch durch die Integration von Einzelphotonen-Avalanche-Dioden in Standard-CMOS mit mikrofluidischen Systemen erzielt.

Die Entwicklung von MIC-Geräten sollte sich auf die folgenden Aspekte konzentrieren: 1) das Gerät sollte tragbar sein, um den diagnostischen Zweck in verschiedenen Gesundheitsszenarien zu erfüllen, 2) das Gerät sollte einfach zu bedienen sein und schnell Ergebnisse von der Probe zur Antwort liefern (z Minuten), 3) die mikrofluidische Anordnung sollte vorgeladene Reagenzien enthalten und wegwerfbar sein. Darüber hinaus muss die analytische Leistung von MIC-Geräten, wie z. B. Empfindlichkeit, Genauigkeit, Präzision und Robustheit, bestimmte Testanforderungen erfüllen. Bei der Konstruktion und Entwicklung von Instrumenten und Reagenzien müssen all diese Aspekte berücksichtigt werden. Daher müssen Konstruktion und Entwicklung das ausgeklügelte Gleichgewicht zwischen Komplexität, Leistung und Kosten finden, um die Anforderungen im Gesundheitswesen zu erfüllen und mehr Patienten zu helfen.

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