A Novel sample preparation technology for sepsis diagnosis

Abstract

Eine der größten Herausforderungen, die sich unsere Gesellschaft heute und in Zukunft stellen muss, ist die Eindämmung des Aufkommens multiresistenter Keime und die damit einhergehende erhöhte Mortalitätsund Morbiditätsrate durch Sepsis. Auch politisch, von Seiten der Obama Administration, der Europäischen Kommission und der G7, wurde diese Herausforderung erkannt und Aktionspläne sowie Strategiepapiere entwickelt. Eine Voraussetzung im Kampf gegen multiresistente Keime ist eine schnelle und sensitive Detektion und Charakterisierung von Pathogenen, um eine frühe, zielgerichtete Therapie zu initiieren. Allerdings scheitern moderne Entwicklungen aus Forschung und Industrie immer noch bei der Ablöse der langwierigen Blutkultur als Gold-Standard. Die größte Hürde hierbei, die hohe Komplexität der Blutprobe und die marginale Anzahl an Analyten, wurde zwar bereits von Unternehmen und Forschungsgruppen identifiziert, aber noch nicht befriedigend bewältigt. Als Antwort auf diese Notwendigkeit konzentriert sich die in dieser Dissertationsschrift vorgestellte Arbeit auf die Entwicklung einer innovativen Technologie, die ein großes Potenzial für eine neue Art der Probenvorbereitung bietet und hier an Hand eines Labor-Demonstrators gezeigt wird. Durch die Verwendung von elektrischen Feldern wird der Unterschied in der Anfälligkeit von menschlichen Zellen und prokaryotischen Zellen verwendet, um menschliche Blutzellen in einer schnellen, spezifischen, kostengünstigen und vollautomatischen Weise in einem mikrofluidischen Durchfluss-Chip effizient zu lysieren, um eventuelle, im Blut befindliche Pathogene aufreinigen und aufkonzentrieren zu können. Um die theoretische Zelltyp-Spezifität von elektrischen Feldern in einer mikrofluidischen Konstruktion zu realisieren, werden die elektrochemischen Effekte an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche durch die Entwicklung einer neuartigen und vielversprechenden Passivierungsstrategie der Elektroden deutlich reduziert. Für das Erreichen dieses Ziels wurden die elektrischen Eigenschaften verschiedener Passivierungsstrategien in analytischer Weise untersucht, optimiert und führten zur Anwendung von dielektrischen Dünnfilmen mit hoher Permittivität. In Bezug auf die klassischen und weit verbreiteten Ansätze, die noch von nicht passivierten Elektroden Gebrauch machen, ist die Einführung von Passivierungsschichten mit hoher Permittivität für zukünftige Elektrochemie-freie elektrische Feldanwendungen in der Biotechnologie von potenziell großer Bedeutung.

The fight against antimicrobial resistance together with sepsis associated mortality, morbidity and health care costs is one of the biggest global challenges society is facing today and in future. Efforts to develop action plans, concepts and strategies to combat this challenge have therefore been major focus points for the Obama administration, the European Commissions Directorate for Health Research and the G7 summit in 2015. A fundamental prerequisite for the urgently needed targeted therapy is fast and sensitive pathogen detection and characterization. Modern technologies, however, struggle to sufficiently meet the requirements to replace blood culture, todays tedious gold standard. The biggest hurdle, which is the complexity of the sample blood and the marginal amount of analyte, has already been identified by companies and academia, but is not yet addressed in a satisfying manner. In answer to this need, the work presented in this thesis focusses on the development of an innovative technology bearing a huge potential as a new sample preparation strategy and is demonstrated in a lab-scale demonstrator. By using electric fields, the difference in the susceptibility of human cells and prokaryotic cells is used to efficiently lyse human blood cells in a fast, specific, cost efficient and fully automated manner in a microfluidic flow-through chip. Thus, blood-borne pathogens can be purified and concentrated for highly sensitive and specific detection. To gain cell-type specificity of electric fields in a microfluidic design, superimposing electrochemical effects at the electrode/electrolyte interface are significantly reduced by the development of a novel and promising electrode passivation design. Thus the electrical characteristics of different passivation strategies were investigated and resulted in the application of high-k dielectric thin films. In respect to the classical approaches which still make use of bare metal electrodes, the introduction of high-k dielectric passivation strategies is of utmost importance for future electrochemistry-liberated electric field applications in biotechnology.