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Forschungsabteilung Optisch-molekulare Diagnostik und Systemtechnologie

Wissenschaftliches Profil

Die Forschungsabteilung Optisch-molekulare Diagnostik und Systemtechnologie beschäftigt sich mit der Entwicklung von Systemen und Anwendungen, die das Verständnis von Infektionskrankheiten verbessern sollen. Durch innovative Lösungsansätze, beruhend auf optischen, molekularen und serologischen Multiparameteranalysen, sollen in Zukunft genauere und schnellere Diagnosen und detaillierte epidemiologische Studien ermöglicht werden. Bei der Entwicklung solcher Tests und Systeme werden beispielsweise molekulare Referenzmethoden wie digitale PCR, Real-Time-PCR, Next-Generation-Sequencing (NGS) und Mikroarray-Technologien verwendet. Durch diese Techniken werden geeignete Parameter evaluiert und für verschiedene Anwendungen optimiert. Ein besonderes Arbeitsfeld ist die Entwicklung patientennaher Point-of-Care Tests. Bei der Definition, Erforschung und Evaluierung aller Anwendungen sollen die Prozesse der gesamten Wertschöpfungskette, d.h. von der Idee über den Prototyp bis hin zur Translation, gemeinsam mit industriellen Partnern, Beachtung finden. 

Der Fokus der Abteilung um Prof. Ralf Ehricht liegt in der Entwicklung und Translation von Prototypen im Gesundheitswesen wie auch im veterinärmedizinischen Bereich.

Forschungsthemen

  • Optische, molekulare und serologische Multiparameteranalysen für die klinisch-mikrobiologische Diagnostik und Epidemiologie
  • Schwerpunkt: Detektion und Verständnis von Antibiotikaresistenzen pathogener Bakterien
  • Assay-basierte Forschungsaktivitäten mit Hilfe modernster molekularer Technologien, wie digitaler PCR, real-time PCR, Next-Generation-Sequenzierung (NGS), Mikroarray-basierte und isothermale Analyseverfahren 
  • Mikroarray-basierte Multiparameterserologie mittels Antikörperarrays, Antigenarrays und Peptidarrays
  • Bioinformatik für das molekulare Assaydesign und der Auswertung entsprechender Daten (z.B. NGS)
  • Translation bestehender und neuer Forschungsergebnisse in real verfügbare Produkte in Kooperation mit entsprechenden Partnern 
  • Aufbau einer „Brücke“ zur Produktentwicklung und -realisierung zwischen akademischer Forschung und kooperierenden Firmen der Diagnostikindustrie 
Abbildung 1
Abbildung 1
Die Abbildung zeigt ein typisches Mikroarraybild nach erfolgter Prozessierung. Die automatisierte Analyse der dunklen Spots wird im Analyzer (l.) durchgeführt.
Abbildung 2
Abbildung 2
Der von Nanopore entwickelte MinION (o.l.) schafft es durch seine neue porenbasierende Sequenziermethode Genomreads mit Längen bis zu 100kB zu generieren (Diagramm unten). Dadurch ist es möglich Vollgenome schnell und ohne Lücken zu assemblieren (z.B. E. coli BL21).
Abbildung 3
Abbildung 3
Testprinzip der Multiparameterserologie mit Hilfe von Protein- und Peptidmikroarrays. Ergebnisse der Multiparametertests können schnell in Anwendungen wie dem Lateral Flow eingehen.

Anwendungsbereiche

DNS - basierte Multiparameterverfahren 

Die Fachabteilung Ehricht hat ihre Arbeit am Leibniz-IPHT im Januar 2019 aufgenommen und vorher, in den vergangenen Jahren, wesentliche Erkenntnisse bei der Entwicklung und Anwendung verschiedenster molekularer Verfahren für die Detektion, die Epidemiologie und das Verständnis von pathogenen Bakterien und deren Antibiotikaresistenzen (MRSA, ESBL, CRE, VRE u.a.) gewonnen. Dabei kamen vor allem Mikroarray-basierte Verfahren und eigens dafür entwickelte Plattformen zum Einsatz (Abb. 1), die in ihrer gesamten Breite über bioinformatisches Assaydesign, Oberflächenchemie, Fertigung, Testentwicklung, Bild- und Datenauswertung sowie spezifische Anwendungen reichten. Besonderes Augenmerk wurde einerseits auf die Implementierung dieser Forschungsergebnisse in real existierende Produkte und deren Evolution gelegt. Andererseits war ein Hauptfokus, Strategien und Verfahren für die optimale Probenvorbereitung zu erarbeiten und in komplexe Abläufe zu integrieren.

Next-Generation-Sequenzierung – Ein Werkzeug zur Entwicklung von Schnelltests

Die von Oxford Nanopore Technologies (Oxford, UK) entwickelte Plattform MinION wird mit ihrer Porentechnologie als der nächste Schritt der Next-Generation-Sequenzierung betrachtet (Abb. 2). Je Pore können bis zu 400 Nukleotide pro Sekunde gemessen werden, was pro Genom zu Resultaten von bis zu zwei Gigabasen führen kann. Einzelne Reads können Längen von 50.000-100.000 Basen erreichen. Daher ist es möglich ganze bakterielle Genome einfach und schnell zu analysieren und zu charakterisieren.

Was die Plattform so attraktiv macht, ist ihr vergleichbar günstiger Preis und die kompakte Größe. Die Abteilung um Prof. Ehricht wird daher diese Technologie nutzen, um neue und optimierte Assays auf molekularer Basis zu entwickeln. Dafür werden auch andere Methoden der Next-Generation-Sequenzierung (z.B. MySeq, Illumina) etabliert und angewandt und mit modernen Verfahren der Bioinformatik in Kooperation mit der AG um Prof. Marz verknüpft.

Protein und Peptid - basierte Multiparameterverfahren

Routinemäßig werden serologische Tests für verschiedene Antigene getrennt und nacheinander durchgeführt, was zu hohen Kosten und Verzögerungen bei der Mitteilung der Befunde führt. Außerdem wird eine relativ große Menge an Probe benötigt. Die AG Ehricht konnte belegen, dass eine ökonomische Multiparameter-Serologie mit Protein- und Peptidmikroarrays realisierbar ist. So konnte der IgG-Status und Impfstatus für 30 Erreger parallel, aus 1 µl Blut und innerhalb von 2 Stunden bestimmt werden (Abb. 3). Das gleiche Verfahren könnte in Zukunft nicht nur für diagnostische Zwecke, sondern auch für die Testentwicklung (Antigen- und Antikörperscreening) eingesetzt werden. Das Panel der so ausgewählten Antigene kann schnell an andere klinische Fragestellungen angepasst und auch auf Point-of-Care Plattformen wie Lateral Flow übertragen werden (Abb. 3).

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