Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZIKultivierung und multimodale Analyse von Zellen und biologischem Material
SniffBot
Entwicklung eines vollautomatisierten Gesundheitskiosks zur Analyse respiratorischer Erkrankungen mittels Atemwegsdiagnostik
Während der Coronapandemie hat sich der Wunsch etabliert, Infizierte zeitnah zu identifizieren um weitere Ansteckungen zu reduzieren. Hier sind schnelle und kostengünstige Tests gefragt, die zu einem „Massenscreening“ z.B. am Eingang von Krankenhäusern, Pflegeheimen oder Apotheken. Das Ziel von SniffBot ist, hierfür eine technische und vollautomatisierte Lösung zu entwickeln. Dabei setzen wir auf die Analyse von volatilen organischen Komponenten (VOCs) in der Ausatemluft. Diese werden mittels Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) innerhalb von 2-4 Minuten analysiert. Die Unterscheidung zwischen bakteriellen und viralen Erregern oder die Bestimmung des genauen Virustyps ist über diese IMS-Methode möglich. Gegenstand des Vorhabens ist einerseits die Entwicklung eines automatisierten Kommunikations- und Probeentnahmetools, andererseits die automatisierte Datenauswertung. Nach Abschluss des Projektvorhabens steht ein vollautomatisierter Gesundheitskiosk an dem alle Schritte autonom und automatisch ablaufen, d.h. es wird kein Bedienpersonal benötigt.
Partner
United Robitics Group GmbH; Dr. med. Thomas Lipp, Praxis Dres. Lipp & Amm; + ein weiterer Industriepartner
Laufzeit
05/2024 – 04/2026
BreathAlert
Mit der Ionenmobilitätsspektrometrie antibiotika-resistenten Bakterien auf der Spur
Die Weltgesundheitsorganisation beschreibt in ihrem Fachbericht eindringlich, warum die Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen zu den großen Aufgaben der Weltgemeinschaft zählt. Bis zum Jahr 2050 rechnet die Organisation jährlich mit 10 Millionen Todesfällen, die auf Infektionserreger zurückzuführen sein werden [1]. Nicht nur für die therapeutische Behandlung, sondern auch die diagnostische Erkennung der krankheitsauslösenden Erreger sind Innovationen notwendig, um der Herausforderung im Gesundheitswesen entgegen zu steuern.
Um diese Situation zu verbessern, zielt das Ende 2020 gestartete Projekt BreathAlert auf ein neues Verfahren zum schnellen und nicht-invasiven Nachweis von Infektionserregern sowie vorliegenden Antibiotika-Resistenzen, welches die Atemluft von Patient*innen analytisch untersucht. Im Projekt steht eine Weiterentwicklung der Ionenmobilitätsspektrometrie im Fokus, die eingesetzt werden soll, um volatile organische Substanzen (VOCs) von Mikroorganismen zu charakterisieren.
Am Fraunhofer IZI wird an ausgewählten Mikroorganismen untersucht, ob diese über abgegebene VOCs differenzierbar und den jeweiligen Bakterienarten zuzuordnen sind. Dazu werden die Erreger zunächst kultiviert und anschließend der headspace, die Gasphase über dem Kulturmedium, in das Gerät geleitet. Die VOCs werden ionisiert, im elektrischen Feld getrennt und anschließend zeitlich versetzt detektiert. Eine Software analysiert die komplexen Daten. Ziel ist es, spezifische Signale zu identifizieren, mit denen Bakterien auch unter verschiedenen Bedingungen sicher voneinander zu unterscheiden sind. Im Fokus stehen antibiotikaresistente Erreger, wie zum Beispiel Enterobakterien, die in zunehmendem Maße Carbapenem- sowie Cephalosporin-Resistenzen zeigen [1].
Die Charakterisierung klinischer Isolate, Atemluftproben infizierter Patient*innen sowie Messungen zum Einfluss von beispielsweise Ernährungsgewohnheiten auf die Atemluft von Menschen, runden das Projekt ab.
Als Konsortialpartner arbeitet das Unternehmen Graupner medical solutions GmbH, das die medizinische Gerätetechnik entwickelt, gemeinsam mit dem Fraunhofer IZI zusammen. Unterstützt werden die Entwicklungsarbeiten von Fachkliniken, die Zugang zu Proben ermöglichen als auch eine abschließende Validierung durchführen. Wirtschaftlich verwertet werden die Projektergebnisse durch das Unternehmen Graupner.
[1] World Health Organization Report 2017: Prioritization of Pathogens to guide discovery, research and development of new antibiotics for drug-resistant bacterial infections, including tuberculosis. WHO/EMP/IAU/2017.12.
Laufzeit
12/2020 – 11/2023
M3Infekt
Probandentest zur Atemluftanalyse.
Nicht-invasive Diagnostik mittels Atemluftanalyse
Die Ausatemluft enthält Substanzen, sogenannte volatile organic compounds (VOCs), die Aussagen über den Stoffwechsel zulassen. Bei einer Vielzahl von Erkrankungen, darunter Infektionen, Krebs bis hin zu neurodegenerativen Erkrankungen, ändert sich der Stoffwechsel und damit die Zusammensetzung der ausgeatmeten VOCs. Die Erfassung dieser VOCs bietet die Chance, Krankheiten frühzeitig und nicht-invasiv zu diagnostizieren.
Die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) kann VOCs innerhalb weniger Minuten direkt am Point-of-care detektieren. Im Rahmen des BMBF-Projektes »Breath Alert« wird untersucht, ob IMS zur Erkennung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien eingesetzt werden kann. Im Fraunhofer-versus-Corona Clusterprojekt »M3Infekt« konnte am Fraunhofer-Zentrum Erfurt FZE die IMS-Technologie unter Beteiligung des Fraunhofer IZI weiterentwickelt werden. Konkret wurden Methoden zur Probenahme über Mund und Nase, zur kurzzeitigen Probenkonservierung sowie zur Probenvorbereitung etabliert und erprobt. Am Projektende konnte das Verfahren an 60 gesunden Probanden im Rahmen von zwei Studien am Universitätsklinikum Dresden und Städtischen Klinikum Magdeburg getestet werden. Parallel dazu wurde am Fraunhofer FZE ein funktionsfähiger neuartiger IMS-Demonstrator fertiggestellt. Dieser muss nun in Folgeprojekten so weiterentwickelt und optimiert werden, dass Diagnostik-relevante VOCs in komplexen Matrices wie Atemluft selektiv detektiert werden können.
Im Projekt »M3Infekt« wurden durch die beteiligten Fraunhofer-Einrichtungen weitere nicht-invasive und mobil einsetzbare Sensoren u.a. zur Erfassung von Herzrate, EKG, Sauerstoffsättigung, Atemfrequenz und Atemvolumen weiterentwickelt. Konzepte zur Systemintegration und flexible Schnittstellen wurden definiert und ein multimodales KI-Framework zur sensorübergreifenden Datenauswertung entwickelt. Darüber hinaus wurden Anforderungen hinsichtlich der Konformität zur medizinischen Regulatorik erarbeitet. Die übergeordnete Vision des Projekts ist ein engmaschiges Monitoring der relevanten klinischen Parameter für die Erkennung von Zustandsverschlechterungen bei Infektionskrankheiten auch außerhalb von Intensivstationen über ein multimodales, modulares und mobiles Sensorsystem. Während der Projektlaufzeit hat sich ergeben, dass mehrere spezifische Lösungen für verschiedene Teilanwendungen sinnvoller als ein einziges Gesamtsystem sind und somit der Nutzen der Projektergebnisse sogar erhöht wird.
Laufzeit
09/2020 – 09/2021