The fast lane in diagnostics : Design, development and validation of point-of-care systems

Abstract

Rapid and reliable diagnostic tests performed near the patient, also referred to as point-of-care (PoC) tests, are indispensable in future healthcare, as demonstrated by the SARS-CoV-2 outbreak. The pandemic emphasized the importance of rapid diagnostic tools outside centralized laboratories to detect infections. In addition, the reduction of time-to-result is pivotal in emergency medicine and primary care to enable fast decision-making on-site. This thesis addresses the growing demand for PoC diagnostics by battling challenges of currently applied diagnostic methods. A PoC test for the detection of hypofibrinogenemia (a too low fibrinogen concentration) after traumatic injuries was developed that would allow first responders and healthcare providers to take the appropriate actions without delay. Therefore, a lateral flow assay was established that detects if the fibrinogen concentration is below the critical threshold of 1.5 mg/mL. To ensure accurate test results, a rapid paper-based hematocrit test was additionally developed to encounter hematocrit variations. Another example of a centralized laboratory process at the moment is the detection of neutralizing antibodies. To shorten the analysis time, a rapid test for the detection of neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 was developed, focusing on the close emulation of the virus–host cell interaction by creating a mock virus that additionally functions as a detection label. In another approach, a versatile microfluidic platform was developed to determine the neutralizing antibody titer within 30 minutes. The designed parallel channels allow for multiple repeats, multiplexing and/or integration of controls, thereby ensuring high throughput and accuracy. To summarize, this thesis includes the development of rapid on-site diagnostic tests and the exploration of an advanced PoC system to quantify antibody titers.

Schnelle, zuverlässige und patientennahe diagnostische Tests, auch Point-of-Care (PoC) Tests genannt, sind für die künftige Gesundheitsversorgung unverzichtbar, wie auch der Ausbruch von SARS-CoV-2 gezeigt hat. Die Pandemie machte deutlich, wie wichtig schnelle Tests außerhalb von zentralisierten und gut ausgestatteten Laboren sind, um Infektionen zeitnah nachzuweisen. Darüber hinaus ist die Verkürzung der Analysezeit in der Notfallmedizin und der Primärversorgung von Bedeutung, um Entscheidungen direkt vor Ort treffen zu können. In dieser Dissertation wird der wachsende Bedarf an PoC Diagnostik durch die Auseinandersetzung mit den Herausforderungen derzeit angewandter Diagnosemethoden aufgegriffen. Für die Notfallmedizin wurde ein diagnostischer Test entwickelt, welcher sofortiges Eingreifen bei Hypofibrinogenämie (eine zu niedrige Fibrinogenkonzentration) nach einem Trauma ermöglichen soll. Der entwickelte Lateral Flow Test ermöglicht festzustellen, ob die Fibrinogenkonzentration unter dem kritischen Schwellenwert von 1.5 mg/mL liegt. Um genaue Testergebnisse zu gewährleisten, wurde zusätzlich ein papierbasierter Hämatokrit-Schnelltest entwickelt, da Schwankungen des Hämatokriten die Messungen beeinflussen würden. Ein anderes Beispiel für einen derzeit zentralisierten Laborprozess ist der Nachweis von neutralisierenden Antikörpern. Um die Analysezeit zu verkürzen, wurde ein Schnelltest für den Nachweis neutralisierender Antikörper gegen SARS-CoV-2 entwickelt, der sich auf die Nachahmung der Interaktion zwischen Virus und Wirtszelle konzentriert. Dafür wurde ein Mock-Virus Partikel entwickelt, das zusätzlich der Detektion dient. Des Weiteren wurde eine adaptierbare mikrofluidische Plattform entwickelt, um den Titer von neutralisierenden Antikörpern innerhalb von 30 Minuten zu bestimmen. Die parallelen Kanäle der Plattform ermöglichen mehrere Wiederholungen, Multiplexing und/oder Integration von Kontrollen, wodurch ein hoher Durchsatz und eine hohe Genauigkeit gewährleistet wird. Zusammengefasst beinhaltet diese Dissertation die Entwicklung von schnellen Vor-Ort-Diagnosesystemen und die Untersuchung einer erweiterten PoC Methode zur Quantifizierung von Antikörpertitern.