Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

Stellen Sie sich einen Diagnosetest vor, der wie ein winziges, in sich geschlossenes Flusssystem funktioniert. Jahrzehntelang war die gängigste Methode, um zu Hause oder in entlegenen Kliniken Krankheiten zu überprüfen, der Lateral-Flow-Assay – der bekannte Streifen, der die Farbe ändert, wenn er ein Virus oder ein Hormon erkennt. Diese Geräte sind Wunderwerke der Einfachheit: Ein Tropfen Flüssigkeit wird an einem Ende platset, und sie zieht sich dann natürlich durch eine poröse Membran aus Papier, wobei sie Chemikalien mit sich führt, bis sie eine Testlinie erreicht. Dieser Prozess benötigt keine Batterien, keine Pumpen und keine Schulung. Doch genau diese Einfachheit ist auch eine Einschränkung. Da sich die Flüssigkeit in einem einzigen, kontinuierlichen Strom bewegt, kann das Gerät nur einen Schritt nach dem anderen ausführen. Es kann nicht einfach eine Probe liefern, auf eine Reaktion warten und dann eine zweite Chemikalie einführen, um das Signal zu verstärken. Um sensitivere Ergebnisse zu erzielen, müssen Wissenschaftler oft komplexe, mehrstufige Verfahren durchführen, die in einem einfachen Streifen schwer zu automatisieren sind.

Forscher der Northern Illinois University und der University of Nevada haben einen Weg gefunden, diesen Engpass zu überwinden, ohne die Komplexität zu erhöhen. Sie haben eine winzige, passive Komponente entwickelt, die sogenannte fluidische Diode, die man in die Mitte eines Standard-Teststreifens schieben kann. Ähnlich wie eine elektrische Diode den Strom nur in eine Richtung fließen lässt, ermöglicht dieses neue Gerät, dass Flüssigkeit in die eine Richtung durch das Papier fließt, sie aber am Rückwärtsfließen gehindert wird. Durch die Anordnung dieser Dioden in einer Sequenz schufen die Forscher ein System, in dem verschiedene Flüssigkeiten nacheinander, in einer präzisen Reihenfolge, alle innerhalb desselben kleinen Streifens zugeführt werden können. Diese Innovation verwandelt einen einfachen, einstufigen Test in ein hochentwickeltes, mehrstufiges Diagnosetool, das dennoch genauso einfach zu bedienen und herzustellen ist wie das Original.

Der Kern dieser Erfindung ist eine kluge Anordnung von Materialien, die die Flüssigkeit mittels Oberflächenspannung statt durch physische Wände leitet. In einem herkömmlichen mikrofluidischen Gerät sind Kanäle in Kunststoff oder Glas eingraviert, um die Flüssigkeit zu halten. Hier bauten die Forscher eine Brücke zwischen zwei Papierpads unter Verwendung einer dünnen Kunststofffolie und ließen eine winzige, unsichtbare Luftlücke zwischen dem Papier und dem Kunststoff frei. Wenn Flüssigkeit in das erste Pad eintritt, wird sie durch die natürliche Anziehung zwischen dem Wasser und den Kunststoffoberflächen über diese Lücke gezogen und fließt reibungslos in das nächste Pad. Wenn jedoch versucht wird, Flüssigkeit vom zweiten Pad rückwärts zu drücken, ändert sich die Geometrie des Geräts. Die Flüssigkeit trifft auf eine scharfe Kante und eine hydrophobe, also wasserabweisende Oberfläche, die wie ein Stoppschild wirkt. Die Flüssigkeit bleibt an der Kante hängen und kann die Lücke nicht in umgekehrter Richtung überqueren. Dieses Einwegverhalten ist völlig passiv; es erfordert keine beweglichen Teile, keinen Strom und keine externe Steuerung.

Um zu beweisen, dass dieses Konzept funktioniert, testete das Team einzelne Dioden mit verschiedenen Flüssigkeitsgemischen. Sie fanden heraus, dass die Flüssigkeit, wenn sie auf das Startpad aufgetragen wurde, die Luftlücke in weniger als drei Sekunden überquerte und das nächste Pad erreichte. Als sie versuchten, die Flüssigkeit rückwärts zu drücken, blieb sie stehen, fest gehalten durch die Stoppventil-Geometrie, selbst unter Druck. Das Gerät erwies sich als robust genug, um gängige Zusätze zu bewältigen, die in medizinischen Tests vorkommen, wie etwa Tenside – Chemikalien, die helfen, Flüssigkeiten gleichmäßig zu verteilen. Selbst mit diesen Zusätzen floss die Flüssigkeit schnell vorwärts, weigerte sich jedoch, sich rückwärts zu bewegen, was bestätigte, dass die Diode unter realen Bedingungen zuverlässig funktionieren kann.

Die wahre Stärke dieser Technologie zeigte sich, als die Forscher mehrere Dioden zu einer Kette verbanden. Durch die Verknüpfung schufen sie ein System, in dem die Flüssigkeit von einem Abschnitt zum nächsten in einer strikten Sequenz wandern konnte. In diesen kaskadierten Baugruppen wurden unterschiedliche farbige Flüssigkeiten zu unterschiedlichen Zeiten eingeführt. Die erste Flüssigkeit bewegte sich vorwärts, stoppte dann und wartete darauf, dass die zweite Flüssigkeit hinzugefügt wurde. Die zweite Flüssigkeit floss dann vorwärts und schob die erste Flüssigkeit mit sich, ohne sie mit ihr zu vermischen. Dies demonstrierte, dass das Gerät in der Lage ist, Reagenzien in einer bestimmten Reihenfolge zuzuführen – eine Fähigkeit, die in einem Standard-Papierstreifen ohne komplexe Fertigung oder Benutzereingriff bisher unmöglich war.

Die Forscher wandten diese Technologie dann auf einen Test für SARS-CoV-2 an, das Virus, das COVID-19 verursacht. Sie bauten einen Teststreifen, bei dem die Patientenprobe und die Detektionschemikalien bis zum richtigen Zeitpunkt getrennt aufbewahrt wurden. Zuerst wurde die Patientenprobe aufgetragen und floss zur Testlinie. Dann wurde eine zweite Flüssigkeit, die die Detektionschemikalien enthielt, hinzugefügt, welche durch die Diode floss und mit der Probe reagierte. Dieser zweistufige Prozess ermöglichte es dem Test, eine komplexere Bindungsreaktion durchzuführen als ein Standardstreifen. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Der neue zweistufige Test erzeugte ein Signal, das zwei-ein-halbmal so stark war wie bei einem konventionellen Test, der exakt dieselben Chemikalien verwendet. Das stärkere Signal deutet darauf hin, dass diese Methode das Virus auch bei niedrigeren Konzentrationen nachweisen kann, was den Test sensitiver macht.

Vielleicht der bedeutendste Aspekt dieser Entdeckung ist die Leichtigkeit ihrer Herstellung. Die fluidische Diode erfordert keine teuren Maschinen oder Präzisionsfertigung. Da die Flüssigkeit durch die Oberflächeneigenschaften der Materialien geleitet wird und nicht durch eingravierte Kanäle, können die Komponenten in flachen Schichten montiert werden, genau wie das Papier, der Kunststoff und der Klebstoff herkömmlicher Teststreifen. Diese Schichten können mit denselben Hochgeschwindigkeitsmaschinen, die Fabriken bereits nutzen, zu einzelnen Streifen geschnitten werden. Dies bedeutet, dass die Technologie für die Massenproduktion hochskaliert werden kann, ohne dass die gesamte Fertigungsinfrastruktur umgebaut werden muss. Indem sie einen einfachen Papierstreifen in ein Gerät verwandeln, das komplexe, zeitgesteuerte Reaktionen ermöglicht, bietet diese Arbeit einen praktischen Weg zu leistungsfähigeren Diagnosetools, die weiterhin erschwinglich und für alle zugänglich bleiben.