Magneto-hydrodynamische Fokussierung : ein neues Verfahren für die Point of Care Diagnostik

Abstract

Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind die häufigste Todesursache weltweit mit einem Anteil von 12,2 Prozent. Es wird geschätzt, dass 300.000 Menschen in Deutschland jährlich einen Myokardinfarkt erleiden. Mit über 50.000 Sterbefällen pro Jahr zählt der akute Myokardinfarkt (AMI) zur zweithäufigsten Todesursache in Deutschland. Die lebensbedrohliche Situation wird durch einen plötzlichen Verschluss der Koronararterien ausgelöst, sodass Muskelgewebe nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Wird das Gefäß nicht innerhalb weniger Stunden durch entsprechende therapeutische Maßnahmen wieder geöffnet, stirbt das Muskelgewebe ab. Der Tod kann durch die verringerte Pumpleistung mit Zusammenbruch des Herz-Kreislauf-Systems (kardiogener Schock) oder durch Herzrhythmusstörungen eintreten. Bei Verdacht auf einen Myokardinfarkt ist daher keine Zeit zu verlieren. In den letzten Jahrzehnten wurde die Versorgung der Patienten von der Detektion eines Myokardinfarkts am Ort des Geschehens (Point of Care) bis zu einer genauen Analyse des Infarkts im Krankenhaus stetig weiterentwickelt. Die Detektion biomedizinisch relevanter Marker im Blut nimmt dabei einen immer höheren Stellenwert ein. Der Goldstandard zur Diagnose ist die Bestimmung von kardialem Troponin T im Blut, welches schon bei geringen Schädigungen des Herzmuskels in das Blut abgegeben wird. Aufgrund der optischen Eigenschaften von Blut birgt die Detektion dieses Biomarkers zahlreiche Problematiken. Bislang sind daher am Point of Care nur qualitative Aussagen zu einem Myokardinfarkt möglich. Genauere Analysen können erst in größeren Versorgungszentren mit entsprechendem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Aussagen zur Schwere des Infarkts am Point of Care könnten in Zukunft zu einer schnellen eingeleiteten Therapie und einer besseren Patientenversorgung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messkonzept auf Basis oszillierender magnetisierbarer Partikel zur quantitativen Detektion von kardialem Troponin T entwickelt und untersucht. Voraussetzung dafür ist eine Nachweismethode, bei der magnetisierbare Partikel ihre mechanischen Eigenschaften durch biologische Komplexbildungen mit nicht magnetisierbaren Partikeln bei Anwesenheit von Troponin T ändern. Die Arbeit beschäftigt sich als Schwerpunkt mit der theoretischen Auslegung des Nachweisverfahrens auf Basis einer Masseänderung und der Bestimmung des dadurch veränderten Oszillationsverhaltens der magnetisierbaren Partikel in Vollblut. Das Oszillationsverhalten lässt sich durch ein optisches Detektionssystem analysieren, wodurch auf die Menge des vorliegenden Troponin T geschlossen werden kann. Dies ist ein erster Schritt von qualitativen zu quantitativen Aussagen am Point of Care. Neben der theoretischen Auslegung des Systems werden erste Messungen von im Blut sichtbaren Partikeln auf Basis des neuen Systems durchgeführt und im Anschluss diskutiert.

Cardiovascular diseases are the major cause of death in the world with 12.2% of the world population affected every year. Estimated 300.000 people in Germany suffer from a heart attack every year. With 50.000 incidences solely in Germany, the acute myocardial infarct (AMI) is the second frequent cause of death. The life-threatening situation in case of a myocardial infarct comes from a sudden block of coronary arteries and resulting starvation and oxygen depletion in the heart muscle tissue. If the affected vessel will not be opened during a period of one hour via therapeutic countermeasures, the muscle tissue starts to die. Death comes from a decreasing pumping rate of the heart resulting in a breakdown of the cardiovascular system (cardiac shock) or from a cardiac arrhythmia. If a myocardial infarct is suspected, no time should be lost. In the last decades, there had been a refinement of patient treatment from detection of the myocardial infarct at the Point of Care to highly precise analysis of the infarct in the hospital. Therefore, detection of relevant biomedical markers in the blood gains more and more value. The gold standard for diagnosis is the measurement of the blood cardiac troponin T concentration. Cardiac troponin T is released into the blood stream very early in case of an infarct. However, due to optical properties of blood, detection of this biomarker bears some problems. Today only qualitative information can be gathered at the Point of Care. Precise conclusions can only be determined in the clinics with expensive laboratory equipment and complex process steps. Evaluation of the severity of AMI at the Point of Care and faster therapy response could lead to a better patient outcome. In this work, a new principle of cardiac troponin T detection based on oscillating magnetizable particles will be presented. Therefore, a detection assay is required, in which magnetizable particles change their properties via biotechnological complex formation with non-magnetizable particles, thus changing their mechanical properties. This work mainly describes the theory of the measurement system design and detection of the change in oscillation due to complex formation of different particles in whole blood. Suitable optical detection systems recognize this change in oscillation and evaluation of cardiac troponin T amount is possible. This is a first step towards quantitative measurement of troponin T at the Point of Care. Besides the theoretical characterization of the developed system, first measurements of particles, which are visible in blood, based on the new system will be presented and discussed.