Chip entwickelt, Probe gemessen, Daten ausgewertet: Summer School bringt Zukunftsdiagnostik zum Leuchten

Es wird dunkel im Labor und das Mikroskop beginnt zu scannen. Nach wenigen Minuten entsteht ein Bild aus leuchtenden Pixeln. Sichtbar wird die Farbstoffprobe und beim Herauszoomen erkennt man die feinen Strukturen eines Mikrofluidikchips, der eine Woche zuvor noch gar nicht existierte.

Was als Entwurf von 18 Studierenden unterschiedlicher Fachrichtungen begann, ist nun ein echter Versuchsaufbau. Während die ersten Messergebnisse sichtbar werden, neigt sich die Summer School langsam ihrem Ende zu.

Bis zu diesem Moment ist einiges passiert. Zwei Wochen lang hatten sich 18 Studierende aus Mittweida, Chemnitz, Leipzig, Erlangen und Halle im Rahmen der EDUCARE Summer School „Zukunftstechnologien der Diagnostik“ mit der Frage beschäftigt, wie aus einer Idee ein funktionierendes Point-of-Care-Testsystem wird. Dabei lernten sie die verschiedenen Themenbereiche der Prozesskette kennen: vom Design und der Fertigung eines Mikrofluidikchips über Biosensorik und Datenauswertung bis hin zu regulatorischen Anforderungen. 

Im Zentrum der Summer School stand ein eigenes Mikroprojekt. Die Studierenden entwickelten zunächst ein Mikrofluidikdesign, aus dem anschließend ein funktionsfähiger Chip entstand. Gemeinsam mit Partnern der TU Chemnitz, des Fraunhofer IWU und des Fraunhofer IZI wurde der Weg von der Konstruktion über die Fertigung bis hin zu ersten Funktionstests nachvollzogen. Als die Chips erstmals erfolgreich mit Flüssigkeit befüllt werden konnten, war die Grundlage für die abschließenden Messungen am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) geschaffen.

In Mittweida rückte schließlich die eigentliche Diagnostik in den Fokus. Nicht mehr die Herstellung des Chips stand im Mittelpunkt, sondern die Frage, was innerhalb der mikrofluidischen Strukturen biologisch und messtechnisch geschieht. Die Teilnehmenden beschäftigten sich mit Biosensorik, optischer Detektion, DNA-Diagnostik und moderner Datenanalyse.

Wie aber wird aus einer Probe ein messbares Signal? Dieser Frage näherten sich die Teilnehmenden zunächst theoretisch. Die Professoren Richard Börner und Ulrich Rant vermittelten dafür Grundlagen aus optischer Detektion und Biosensorik. Biomoleküle wie Nukleinsäuren oder Proteine können gezielt erkannt und ihre Wechselwirkungen in messbare Signale übersetzt werden. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung dar, um biologische Prozesse für diagnostische Anwendungen nutzbar zu machen. Felix Erichson weitete den Blick anschließend auf die Probe selbst: Woher stammen Proben für diagnostische Tests eigentlich, was lässt sich darin nachweisen und welche Herausforderungen entstehen dabei für Point-of-Care-Anwendungen?

Mit diesem Grundlagenwissen ging es mit Vanessa Reimann und Josephine Meitzner ins Labor. Nun konnten die Teilnehmenden an zwei Versuchen nachvollziehen, wie unterschiedlich Proben in diagnostischen Systemen verarbeitet und untersucht werden können. Im ersten Versuch stand der selbst entwickelte Mikrofluidikchip im Mittelpunkt. Er wurde für die Messung vorbereitet, mit einer Farbstoffprobe befüllt und anschließend mittels Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) untersucht. So konnten die Teilnehmenden sichtbar machen, wo sich die Probe im Chip befand und wie sie sich darin verteilte. Aus dem eigenen Design war damit ein realer Versuchsaufbau geworden. Der zweite Versuch richtete den Blick auf die Probenvorbereitung. Über eine druckgesteuerte Mikrofluidik lief diese automatisiert ab, bevor die vorbereitete Probe mittels Einzelmolekülmessungen untersucht wurde. Damit wurde deutlich, dass für Point-of-Care-Systeme nicht nur die eigentliche Detektion entscheidend ist, sondern auch die Frage, wie Proben möglichst zuverlässig und automatisiert vorbereitet werden können. Doch eine Messung im Labor liefert noch kein interpretierbares Ergebnis. Im anschließenden Workshop zur Datenauswertung wurde aus den aufgenommenen Daten ein Bild des befüllten Chips. Die Teilnehmenden werteten die Daten selbst aus und konnten so den Weg von der Probe über die Messung bis zum Ergebnis nachvollziehen.

Mit der Auswertung der Messdaten war das Mikroprojekt abgeschlossen – die Frage, wie Diagnostik künftig direkt am Point of Care funktionieren kann, ging jedoch darüber hinaus. Einen weiteren Anwendungsbereich lernten die Teilnehmenden mit der DNA-Sequenzierung kennen. Neue Verfahren wie die Nanoporen-Sequenzierung eröffnen dabei die Möglichkeit, genetische Informationen zunehmend kompakt und dezentral auszulesen.

Gemeinsam mit Nils Schön aus der Arbeitsgruppe von Professor Röbbe Wünschiers bereiteten die Teilnehmenden eine Probe für die Sequenzierung vor und starteten anschließend die Messung mit einem kommerziellen mikrofluidischen Sequenziersystem. Dabei wurde deutlich, dass nicht nur die eigentliche Analyse, sondern bereits jeder vorbereitende Schritt darüber entscheidet, wie gut sich ein Verfahren später automatisieren und in ein Point-of-Care-System integrieren lässt. Die DNA-Sequenzierung bildete damit einen passenden Abschluss des Themenbereichs Biosensortechnik. Sie zeigte noch einmal, wie eng Probenhandling, Mikrofluidik, Sensorik und Datenauswertung miteinander verknüpft sind – und warum bei der Entwicklung von Point-of-Care-Systemen unterschiedliche Fachdisziplinen zusammenarbeiten müssen.

Neben Laborarbeit und Fachvorträgen kam auch der persönliche Austausch nicht zu kurz. Beim Mini-Kneipenquiz traten drei Studierendenteams gegen das Dozenten- und Organisationsteam an. Mit einem kleinen Erfahrungsvorsprung sicherte sich das Dozententeam den Sieg. Der symbolische Preis, eine Dose Kekse, wurde jedoch direkt an die Zweitplatzierten weitergereicht.

Den Abschluss der Tage am Laserinstitut bildete ein gemeinsames Grillen mit Gesprächen, Kartenspielen und vielen Gelegenheiten zum Netzwerken.

Ganz zu Ende war die Summer School damit jedoch noch nicht. Am letzten Tag richtete sich der Blick auf den letzten Abschnitt der Entwicklungskette: Regulatorik und Markt. Denn auch ein technisch funktionierender Point-of-Care-Test muss regulatorische Anforderungen erfüllen, bevor daraus ein marktfähiges Produkt werden kann. Damit schloss sich der Kreis der Summer School – vom ersten mikrofluidischen Konzept bis zum zugelassenen Produkt. Die nächste Summer School ist bereits für den 16. bis 27. August 2027 geplant – Save the Date!

Die Summer School ist Teil des Projekts EDUCARE im DIANA-Bündnis. Das Projekt wird im Rahmen des Programms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“ durch das BMFTR gefördert. Beteiligt sind das Laserinstitut Hochschule Mittweida, die TU Chemnitz, das Fraunhofer IWU gemeinsam mit dem Innovationsverbund VEMAS sowie das Fraunhofer IZI. Ein herzliches Dankeschön allen Beteiligten, Vortragenden, Organisierenden und Teilnehmenden sowie insbesondere der Arbeitsgruppe von Professor Röbbe Wünschiers für die Unterstützung der beiden Tage am LHM.