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Entwicklung mikropartikelbasierter Nachweisverfahren für hydrophile und amphiphile Biomarker

Development of microparticle based detection methods for hydrophilic and amphiphilic biomarkers

  • Für die Personalisierte Medizin wird eine präzise und schnelle Analyse relevanter kardiovaskulärer, Tumor- oder Autoimmunbiomarker in der heutigen Labordiagnostik immer wichtiger. Patienten sollen möglichst individuell und auf ihre Bedürfnisse abgestimmt behandelt werden. Mithilfe einfacher, tragbarer, zeit- und materialsparender Analysemethoden sollen in Zukunft die Ärzte durch automatisierte, multiparametrische Testsysteme unterstützt werden. Um diese Probleme adressieren zu können, ist es notwendig, Systeme zu entwickeln, die einen simultanen Nachweis von Protein-, Nukleinsäure-, und Lipidbiomarkern ermöglichen. Die vorliegende Dissertation setzt sich mit der Entwicklung mikropartikelbasierter Nachweissysteme für hydrophile und amphiphile Biomarker auseinander. Hierbei wurde ein mikropartikelbasierter Mikrofluidikchip zur Analyse von vier Protein- und DNAbasierten kardiovaskulären Biomarkern entwickelt. Dieser zeigt gegenüber der Verwendung einer Multiwellplatte eine Reduzierung der Zeit von 1 h auf 7 min, die Reduzierung vonFür die Personalisierte Medizin wird eine präzise und schnelle Analyse relevanter kardiovaskulärer, Tumor- oder Autoimmunbiomarker in der heutigen Labordiagnostik immer wichtiger. Patienten sollen möglichst individuell und auf ihre Bedürfnisse abgestimmt behandelt werden. Mithilfe einfacher, tragbarer, zeit- und materialsparender Analysemethoden sollen in Zukunft die Ärzte durch automatisierte, multiparametrische Testsysteme unterstützt werden. Um diese Probleme adressieren zu können, ist es notwendig, Systeme zu entwickeln, die einen simultanen Nachweis von Protein-, Nukleinsäure-, und Lipidbiomarkern ermöglichen. Die vorliegende Dissertation setzt sich mit der Entwicklung mikropartikelbasierter Nachweissysteme für hydrophile und amphiphile Biomarker auseinander. Hierbei wurde ein mikropartikelbasierter Mikrofluidikchip zur Analyse von vier Protein- und DNAbasierten kardiovaskulären Biomarkern entwickelt. Dieser zeigt gegenüber der Verwendung einer Multiwellplatte eine Reduzierung der Zeit von 1 h auf 7 min, die Reduzierung von Patientenmaterial, aufgrund des Einsatzes geringer Volumina und eine erhöhte Sensitivität um einen Faktor von fünf gegenüber den Herstellerangaben der Biomarker. Die Analyse amphiphiler Biomarker wie Phospholipide oder Lipoproteine setzte die Verwendung hydrophober Mikropartikel voraus. Neuartige, fluoreszenzkodierte, hydrophobe Mikropartikel wurden hergestellt und anhand verschiedener Kriterien wie Verhalten in Puffersystemen, Hydrophobizität, Lösungsmittelstabilität und Fluoreszenz- und Größenverteilung charakterisiert. Mithilfe der typisierten hydrophoben Mikropartikel wurden amphiphile Biomarker, wie z. B. Anti-Phospholipid-Antikörper gegen Cardiolipin, welche bei Autoimmunerkrankungen, Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen eine Rolle spielen, an die Mikropartikeloberfläche gekoppelt. Ein aussagekräftiger Nachweis der Anti- Phospholipid-Antikörper konnte sowohl auf Membran- als auch Mikropartikelbasis entwickelt werden. Mit dem entwickelten Proof-of-Principle konnten erste Patientenseren analysiert und eine eindeutige Zuordnung der positiven und negativen Seren vorgenommen werden.show moreshow less
  • For Personalised Medicine, precise and rapid analysis of relevant cardiovascular, tumour or autoimmune biomarkers is becoming increasingly important in today's laboratory diagnostics. Patients should be treated as individually as possible and tailored to their needs. With the help of simple, portable, time- and material-saving analytical methods, doctors should be supported in future by automated, multiparametric test systems. To address these problems, it is necessary to develop systems that allow simultaneous detection of protein, nucleic acid and lipid biomarkers. This dissertation deals with the development of microbead-based detection systems for hydrophilic and amphiphilic biomarkers. A microbead-based microfluidic chip was developed for the analysis of four protein- and DNA-based cardiovascular biomarkers. Compared to the use of a multiwell plate, this shows a reduction in time from 1 h to 7 min, the reduction of patient material due to the use of low volumes and an increased sensitivity by a factor of five compared to theFor Personalised Medicine, precise and rapid analysis of relevant cardiovascular, tumour or autoimmune biomarkers is becoming increasingly important in today's laboratory diagnostics. Patients should be treated as individually as possible and tailored to their needs. With the help of simple, portable, time- and material-saving analytical methods, doctors should be supported in future by automated, multiparametric test systems. To address these problems, it is necessary to develop systems that allow simultaneous detection of protein, nucleic acid and lipid biomarkers. This dissertation deals with the development of microbead-based detection systems for hydrophilic and amphiphilic biomarkers. A microbead-based microfluidic chip was developed for the analysis of four protein- and DNA-based cardiovascular biomarkers. Compared to the use of a multiwell plate, this shows a reduction in time from 1 h to 7 min, the reduction of patient material due to the use of low volumes and an increased sensitivity by a factor of five compared to the biomarker manufacturer's specifications. The analysis of amphiphilic biomarkers such as phospholipids or lipoproteins required the use of hydrophobic microbeads. Novel, fluorescence-encoded, hydrophobic microbeads were prepared and characterised using various criteria such as behaviour in buffer systems, hydrophobicity, solvent stability and fluorescence and size distribution. Using the typed hydrophobic microbeads, amphiphilic biomarkers, such as anti-phospholipid antibodies against cardiolipin, which play a role in autoimmune diseases, cancer and cardiovascular diseases, were coupled to the microbead surface. A meaningful detection of the anti-phospholipid antibodies could be developed on both membrane and microbead basis. With the developed proof-of-principle, first patient sera could be analysed and a clear assignment of positive and negative sera could be made.show moreshow less

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Metadaten
Author: Franziska DinterORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63909
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6390
Referee / Advisor:Prof. Dr. Peter Schierack, Prof. Dr. Katja Hanack
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/05/16
Release Date:2023/06/13
Tag:Hydrophilie; Hydrophobie; Mikrofluidik; Mikropartikel; Nachweisverfahren
Detection methods; Hydrophilic; Hydrophobic; Microfluidic; Microparticle
GND Keyword:Amphiphilie; Biomarker; Hydrophilie; Mikrofluidik; Mikropartikel; Nachweis; Microfluidics
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Multiparameterdiagnostik
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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