Rubin - SNiPoCC - VP2: Entwicklung eines fluoreszenzbasierten Schnelltest-Komplettsystems zur quantitativen und digitalisierten Analyse von POC-Tests (qDigiPOC); Teilvorhaben: TP3: Erforschung von Fluoreszenz- und Auswerteverfahren für Lateral-Flow-Tests

Abstract

Die Bedeutung von Schnelltests in der (personalisierten) Point-of-Care-Diagnostik nimmt gesellschaftspolitisch immer mehr zu. Das Potenzial dieser Schnelltests liegt zum einen in der einfachen Handhabung, d.h. selbst Personen ohne medizinisch-technische Berufsausbildung können diese benutzen. Zum anderen erzeugen die Schnelltests relativ schnell ein Ergebnis, das als Handlungsbasis für die weitere Behandlung benutzt werden kann. Darüber hinaus können durch die kompakte und kostengünstige Ausführung der dazugehörigen Analysegeräte diese vor Ort eingesetzt werden. Gesamtziel des qDigiPoC-Verbundes war es nun, innovative Schnelltests mit neuen Produktkonzepten und Funktionalitäten für verschiedene Bereiche, wie Veterinär- und Humanmedizin, Forensik oder Umwelt- und Gefahrstoffanalytik zu entwickeln. Dazu sollten im Verbund Aspekte wie „Erhöhung der Sensitivität“, „Multiplexing“ und „Digitalisierung“ adressiert und Lösungen dazu erarbeitet werden. Ziel des Teilprojektes des Instituts für Nanophotonik Göttingen e.V. war es, die fluoreszenzbasierte Detektion der Lateral Flow Tests (LFTs) zu verbessern und gegebenenfalls neu zu entwickeln. Dazu wurde zum einen in enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner FiSens GmbH ein kompakter Fluoreszenzreader auf Basis der vom Partner entwickelten Faser-Bragg-Spektrometer entwickelt. Hierbei wurde Wert darauf gelegt, dass der Fluoreszenzreader kompakt bleibt und dabei möglichst den gesamten Wellenlängenbereich von 400 - 1000 nm abdeckt. Darüber hinaus sollte er, anders als marktüblich, nicht nur für ein bestimmtes Fluorophor, sondern für eine Vielzahl von Fluorophoren einsetzbar sein. Um die Sensitivität zu erhöhen wurde auf eine Abtastung und Integration des Gesamtsignals entlang einer Linie hin gearbeitet, mit der eine Ausleserate von über 95 % erzielt werden soll bei einer quantitativen Genauigkeit von 0,1 %. Zum anderen wurde ein Aufbau zur hyperspektralen Fluoreszenzauslesung der LFTs entwickelt, mit der Multiplexing möglich ist. Dazu wurde der LFT auf eine CMOS-Kamera abgebildet und mit Hilfe eines linearen Filters konnte eine Wellenlängenselektion stattfinden. Bei Überlagerung der einzelnen aufgenommenen Bilder konnten so örtlich aufgelöst verschiedene Fluorophore detektiert werden. Konkret wurden im Teilprojekt folgende Aufgaben adressiert:

Entwicklung und Optimierung des Designs für ein Fluoreszenz-Reader-System. Entwicklung der Auswertealgorithmen zur Trennung verschiedener Fluoreszenzfarbstoffe. Entwicklung eines Fluoreszenz-Hyperspektral-Aufbaus. Entwicklung eines Konzepts und eines Aufbaus der in der Lehre eingesetzt werden kann.

Das Projekt umfasste also die Entwicklung und Optimierung von Fluoreszenzaufbauten sowie die Algorithmenentwicklung für eine schnelle Analyse der Daten. Am Ende stand ein Funktionsmuster für den Fluoreszenzreader sowie für den hyperspektralen Aufbau zur Verfügung. The importance of rapid tests in (personalized) point-of-care diagnostics is steadily increasing in socio-political terms. The potential of these rapid tests lies, firstly, in their ease of use; even individuals without medical-technical training can operate them. Secondly, the rapid tests produce a result relatively quickly, which can serve as a basis for further treatment. Furthermore, the compact and cost-effective design of the associated analyzers allows for on-site use. The aim of the sub-project of the Institute for Nanophotonics Göttingen e.V. was to improve and, if necessary, develop new fluorescence-based detection methods for lateral flow tests (LFTs). To this end, a compact fluorescence reader based on the fiber Bragg spectrometer developed by the project partner FiSens GmbH was developed in close collaboration. Emphasis was placed on ensuring that the fluorescence reader remained compact while covering as much of the wavelength range as possible from 400 to 1000 nm. Furthermore, unlike conventional instruments, it should be usable not only for a specific fluorophore, but for a multitude of fluorophores. To increase sensitivity, the aim was to scan and integrate the entire signal along a line, achieving a readout rate of over 95% with a quantitative accuracy of 0.1%. Additionally, a setup for hyperspectral fluorescence readout of the LFTs was developed, enabling multiplexing. For this purpose, the LFT was imaged onto a CMOS camera, and wavelength selection was performed using a linear filter. By superimposing the individual acquired images, different fluorophores could be detected with spatial resolution.