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Europäischer Erfinderpreis

Andreas Manz (Schweiz)

Gewinner des Europäischen Erfinderpreises 2015 in der Kategorie Lebenswerk

Andreas Manz

Video:

Erfindung: Mikrochip-Technologie für chemische Anwendungen

Kategorie: Lebenswerk

Sektor: Medizin, Biowissenschaft

Patent numbers: EP0653631, EP0544969, EP0497077

Erfindung: Analyse per Mikrochip

Früher mussten Ärzte wochenlang warten, bis die Laborergebnisse von Blutanalysen vorlagen und eine Diagnose gestellt werden konnte. Dank dem Schweizer analytischen Chemiker und Nanowissenschaftler Andreas Manz, 58, gibt es heute eine Technologie, die die gesamte Chemielaborausrüstung miniaturisiert und auf einem flachen Chip bündelt. Damit ist eine sofortige Point-of-Care-Diagnostik möglich, die eines Tages für Millionen Menschen in armen oder entlegenen Teilen der Welt lebensrettend sein könnte.

LabChipDie extrem kleinen Chips, die sogenannten MicroTAS, sind nur wenige Millimeter groß, enthalten jedoch alle nötigen Mechanismen, um Verbindungen in kleinste Flüssigkeitsmengen zu trennen und deren chemische Zusammensetzung zu ermitteln.

MicroTAS-Einheiten enthalten alle Miniaturpumpen und -ventile sowie die Steuer- und Messelektronik, die für Analysen an Ort und Stelle benötigt werden; sie arbeiten zeit- und platzsparend. Die virtuellen Labore auf einem Chip (Lab-on-a-Chip) ermöglichen eine ständige Fernüberwachung und eignen sich somit optimal für Aktualisierungen der Umgebungsbedingungen rund um die Uhr oder zur Krankheits- und Toxikologiediagnostik vor Ort.

Gesellschaftlicher Nutzen

Lab-on-a-Chip-Technologie wird die Vor-Ort-Überwachung und ‑Diagnostik revolutionieren. Mögliche künftige Einsatzbereiche sind kostengünstige, schnelle Tests auf Epidemien und Pandemien in abgelegenen Gebieten. Beispielsweise werden MicroTAS-Diagnosemethoden für HIV und Malaria sowie für Denguefieber, genetische Erkrankungen, örtlich begrenzte Toxine und verschiedene Krebsarten erforscht.

Für die meisten Anwendungsmöglichkeiten gibt es bereits kostspieligere Labortests. Die Vorteile bestehen darin, geeignete Analysen in ärmlichen oder schwer zugänglichen Gebieten zu ermöglichen.

Wirtschaftlicher Nutzen

Derzeit findet die Lab-on-a-Chip-Technologie vor allem in der Medizin und der Biotechnologie Anwendung, wenngleich das Potenzial der technologischen Revolution bei Weitem nicht ausgeschöpft wird. Laut einem Marktforschungsbericht aus dem Jahr 2011 wird der Markt für Biochips, zu denen auch miniaturisierte Analysesysteme gehören, von 2,8 Mrd. EUR (3,5 Mrd. USD) im Jahr 2010 bis 2016 auf ein Volumen von 7,8 Mrd. EUR (9,6 Mrd. USD) wachsen. In einem Bericht aus dem Jahr 2014 wird für den Zeitraum zwischen 2014 und 2019 von einem Marktwachstum um 18 % ausgegangen.

Eine moderne Variante des Lab-on-a-Chip von Manz ist das DNA-Labor auf einem USB-Stick, der von Christofer Toumazou, dem Gewinner des Europäischen Erfinderpreises 2014, entwickelt wurde. Mit einem solchen USB-Stick lässt sich innerhalb von Minuten die DNA eines Patienten entschlüsseln. Mehrere Unternehmen erhielten bereits Lizenzen. Zwar gibt es weitere Point-of-Care-Technologien in der Medizin, z. B. Schwangerschafts- oder Drogentests für zu Hause, aber die Entwicklung komplizierterer Geräte zur Diagnose verbreiteter Krankheiten steckt noch in den Kinderschuhen. Die kommerzielle Nutzung dieser Geräte ist nach wie vor eine große Hürde, die es jedoch zu meistern gilt, damit die Geräte dort zum Einsatz kommen können, wo sie am dringendsten benötigt werden: in ärmlichen, entlegenen Gebieten, in denen es in den Krankenhäusern an wirksamen Diagnoseinstrumenten fehlt.

  • Andreas Manz

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  • LabChip
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Funktionsweise

Ein MicroTAS-Gerät verfügt über Mikrostrukturen, wie Kanäle für Flüssigkeitsströme und Vertiefungen für die Vermischung und chemische Reaktionen. Zur Bildung dieser Mikrostrukturen werden Materialschichten übereinander aufgetragen. Anschließend werden bestimmte Teile weggeätzt, um die gewünschte Beschaffenheit zu erreichen.

Wenn beispielsweise an einem Ende des Geräts ein Tropfen Blut aufgebracht wird, werden die beteiligten Moleküle mittels pneumatischer, elektromotorischer oder Kapillarwirkung durch ein System chemischer Sensoren in Nanogröße geleitet.

Sobald der Sensor die Konzentration einer getesteten chemischen Verbindung erfasst, wandelt er die Ergebnisse in ein elektrisches Signal um. Ein Vorteil des Geräts von Andreas Manz besteht darin, dass es keinen besonders empfindlichen Sensor benötigt. Denn bevor der Stoff überhaupt zu einem Sensor transportiert wird, wird er so vorbehandelt, dass die meisten chemischen Verbindungen, die das Ergebnis beeinträchtigen könnten, beseitigt werden.

Über den Erfinder

Andreas Manz ist Leiter der Arbeitsgruppe für Mikrofluidik am Korea Institute of Science and Technology in Saarbrücken und Professor für Mikrofluidik im Bereich der Biowissenschaften an der Universität des Saarlandes. Den Großteil seiner Forschungsarbeit zur Entwicklung von miniaturisierten Analysesystemen führte er beim Schweizer Pharmakonzern Ciba-Geigy, der später durch Fusion zu Novartis wurde, und am Imperial College in London durch.

Im Laufe seines glanzvollen Werdegangs veröffentlichte Manz über 250 Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften – darunter seine bahnbrechende Veröffentlichung über das neue Konzept der "chemischen Gesamtanalysesysteme" – die mehr als 11 000 Mal zitiert werden. Manz erhielt zahlreiche Preise und belegt Platz 48 der 100 einflussreichsten Chemiker der letzten zehn Jahre. Er wirkte als Haupterfinder an mindestens 39 Patenten mit, von denen mehrere die MicroTAS-Technologie zum Thema haben.

Wussten Sie das?

Manz wird aus gutem Grund oft als "Wegbereiter der modernen Mikrofluidik" bezeichnet. Er hat auf diesem Gebiet nicht nur Pionierarbeit geleistet, sondern außerdem sein Wissen über diese Technologie im Rahmen seiner Lehrtätigkeit weitergegeben und andere inspiriert, über neue Anwendungsmöglichkeiten nachzudenken. Seine Studenten schätzen nicht nur seine Genialität und seinen Erfindungsgeist, sondern auch seine Fähigkeit, komplexe Gedanken unterhaltsam und anschaulich darzustellen. Beispielsweise erklärte er Begriffe wie die zyklische Chromatografie durch Analogien wie das Wagenrennen aus "Ben Hur". Manz beschreibt seine Erfindung in eigenen Worten in seinem Video.