PoC-Diagnostik

Hier kommt es auf jedes Bauteil an

12. Februar 2021, 08:00 Uhr   |  Connor Connaughton, Eduardo Bartolome (Texas Instruments)

Hier kommt es auf jedes Bauteil an
© AdobeStock.com/Daniel Beckemeier

Insbesondere in Pandemiezeiten ist eine schnelle Vor-Ort-Diagnostik entscheidend

Texas Instruments unterstützt Hersteller von Analysatoren für den Point-of-Care

Die wichtigsten treibenden Kräfte für das Wachstum der molekularen Diagnostik am Point-of-Care (PoC) sind die hohe Prävalenz von Infektionskrankheiten, die zunehmende Präsenz und Akzeptanz der personalisierten Medizin und die Fortschritte auf dem Gebiet der molekularen Techniken, die präzisere Ergebnisse ermöglicht und für Portabilität gesorgt haben. Die molekulare PoC-Diagnostik (Bild 1) gibt Ärzten die Möglichkeit, den Standard der Patientenversorgung anzuheben, indem gleich beim ersten Besuch des Patienten eine schnelle Diagnose mit anschließender Therapieentscheidung möglich ist, anstatt Tage auf die Testergebnisse warten zu müssen.
 

Bild 1. Allgemeine Darstellung der Funktionsweise von Analysatoren für die molekulare Diagnostik am Point-of-Care
© Texas Instruments

Bild 1. Allgemeine Darstellung der Funktionsweise von Analysatoren für die molekulare Diagnostik am Point-of-Care

Dafür benötigt der Mediziner beziehungsweise das PoC-Geräte genügend Ziel-DNA, zum Beispiel für die Detektierung per Fluoreszenz. Oft ist es jedoch so, dass die benötigte Menge nicht erreicht wird und für die Analyse deshalb eine Amplifikation (Klonung beziehungsweise Vervielfachung) der DNA erforderlich ist. Die beiden wichtigsten Verfahren dafür sind:

Für die Amplifikationsverfahren sind bestimmte Heiz- und Kühlelemente erforderlich. Für den PCR-Prozess wird ein thermoelektrischer Kühler (TEC) benötigt, der zyklisch drei verschiedene Temperaturen durchläuft. Die Probe wird zunächst auf 95 °C erwärmt, anschließend auf 50 bis 56 °C abgekühlt und danach auf einer Temperatur von konstant 72 °C gehalten. Durch Wiederholen dieses zyklischen Prozesses wird die DNA milliardenfach kopiert. Im Fall des LAMP-Prozesses wird die Probe mithilfe von Heiz- und Kühlelementen auf einer konstanten Temperatur von 60 bis 65 °C gehalten. Der Verzicht auf Temperaturzyklen hilft die Reaktion zu beschleunigen, setzt aber einen aufwändigeren Primer-Satz voraus. 

TI-Bauelemente für den Point-of-Care

In Bild 2 sind das Sensor-Frontend und die TEC-Einheit eines Analysators für die molekulare PoC-Diagnostik zu sehen. Die Grundlage bilden der DDC112 von Texas Instruments (TI), ein A/D-Wandler (ADC) mit Stromeingang, sowie Stromtreiber, Präzisionsverstärker und Temperatursensoren. Die DDC-Familie besteht aus Bauelementen, die gleichzeitig Ströme aus 1 bis 256 Dioden auswerten können. Die Stromverstärker und der ADC sind hier in einer Schaltung zusammengefasst. Die Bauelemente zeichnen sich durch ein sehr geringes eingangsbezogenes Rauschen (Bruchteile eines Picoampere, RMS), einen geringen Eingangs-Biasstrom (0,1 pA) und einen hochgradig linearen ADC mit einer Auflösung von bis zu 24bit aus. 

Bild 2. System-Blockschaltbild eines Sensor-Frontends für einen Analysator zur molekularen PoC-Diagnostik
© Texas Instruments

Bild 2. System-Blockschaltbild eines Sensor-Frontends für einen Analysator zur molekularen PoC-Diagnostik

Die korrekte Funktion einer TEC-Einheit verlangt nach einem hohen Maß an Temperaturgenauigkeit beim Überwachen der Heiz- und Abkühlvorgänge für den Amplifikationsprozess. Der digitale Temperatursensor TMP117 bringt es in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +100 °C auf eine Genauigkeit von ±0,1 °C (typ.) bzw. ±0,2 °C (max.). Dank seines integrierten 16bit-ADC kann der Baustein per I²C oder SMBus mit digitalen Bauelementen kommunizieren. Der für batteriebetriebene Systeme ausgelegte TMP117 besitzt im Shutdown-Modus eine Ruhestromaufnahme von 150 nA und benötigt 3,5 µA pro 1-Hz-Umwandlungszyklus. 

Zum Ansteuern der TEC-Einheit liefert der TPS54201 einen konstanten Strom von 1,5 A für den DRV8873, um ein  hocheffizientes Heiz- und Kühlelement zu realisieren. Der DRV8873 besteht aus vier N-Kanal-MOSFETs zur bidirektionalen Ansteuerung von Motoren mit einem Spitzenstrom bis zu 10 A und ist mit Features wie etwa einer integrierten Stromerfassung ausgestattet. Dies erlaubt den Verzicht auf zwei externe Shunt-Widerstände, was die Materialkosten senkt und außerdem Platz spart. 

Wenn die Amplifikation in Gang gekommen ist, werden auf die Signatur des Pathogens abgestimmte Fluoreszenzfarbstoffe durch eine Lichtquelle angeregt, und eine oder mehrere Photodioden detektieren eine etwaige Fluoreszenz. Die Stärke des Signals beziehungsweise die Dauer oder die Zykluszahl der Amplifikation liefern ein Indiz für die anfängliche Konzentration des jeweiligen Pathogens in der Probe. Die Fähigkeit zum Messen eines solchen Signalpegels mit nur wenigen Ziel-DNA-Segmenten in der Probe und in einer frühen Phase des Amplifikationsprozesses verkürzt die Zeit bis zum Erreichen eines positiven Ergebnisses (gesuchtes Genommaterial  wurde identifiziert). 

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