EMS-Partner für Point-of-Care-Testing und Molekulardiagnostik

So entwickelte Plexus eine Lösung für schnelles und präzises Point-of-Care-Testing (POCT).

Molekulardiagnostische Systeme (MDx) sind unerlässlich, um Infektionskrankheiten schneller und gezielter zu erkennen und zu behandeln – und damit die Gesundheitsversorgung zu verbessern. Ein OEM im Bereich der Molekulardiagnostik wandte sich für die Entwicklung eines Thermocycler an den EMS-Dienstleister Plexus. Das Laborgerät sollte als Teil eines neuen MDx-Systems für das Point-of-Care-Testing (POCT) angepasst und verbessert werden. Plexus unterstützte den Kunden erfolgreich bei der Realisierung sowie der Markteinführung der Lösung.

LÖSUNGEN IM FOKUS

KUNDE:

FÜHRENDER OEM IN DER MOLEKULARDIAGNOSTIK

PRODUKTE:

MOLEKULARDIAGNOSTISCHES SYSTEM FÜR POINT-OF-CARE-TESTING (CLIA WAIVED)

LÖSUNG:

DESIGN UND ENTWICKLUNG
SUPPLY CHAIN LÖSUNGEN
NEUE PRODUKTEINFÜHRUNG (NPI)
FERTIGUNG

Lebensrettende Antworten auf klinische Fragen ohne unnötige Wartezeit.

Im Gesundheitswesen zählt jede Sekunde. Patienten und Angehörige verlassen sich jeden Tag auf die Diagnosen und Entscheidungen von Ärzten und medizinischen Fachpersonal. Fehler kann sich hier keiner leisten. Und es zählt jede Sekunde.

Molekulardiagnostische Systeme (MDx) sind für Gesundheitsdienstleistern zentral, wenn es darum geht wichtige Entscheidungen zu treffen und Diagnosen zu stellen. Sowohl die Anforderungen für Labortests als auch der Molekularbiologie müssen erfüllt werden, um schnell und präzise mikrobielle Krankheitserreger zu identifizieren und die Gene von Patienten zu analysieren. MDx-Lösungen leisten Detektivarbeit auf DNA-Ebene: Sie separieren DNA-Stränge und kopieren sie millionenfach, um Wissenschaftlern genügend Material für weitere Untersuchung bereitzustellen. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse liefern Ärzten wichtige Informationen für die weitere Behandlung von Patienten.

MDx-Technologien sind aus der Laborpraxis nicht mehr wegzudenken und übernehmen eine wichtige Rolle im Rahmen der personalisierten bzw. individualisierten Medizin (Precision Health). Dieser neue Ansatz bei der Behandlung und Prävention von Krankheiten berücksichtigt die individuellen Verschiedenheiten von Patienten und unterstützt Ärzte bei der Behandlungsentscheidung.

Verfügbarkeit von PCR-Tests treibt die Gesundheitsbranche voran.

Thermocycler werden traditionell in Laboren für die Polymerase Chain Reaction (PCR) eingesetzt. Bei diesem Verfahren durchlaufen die Proben wiederholt einen dreistufigen, temperaturabhängigen Prozess, bei dem die DNA automatisiert vervielfältigt wird. Dieses Verfahren ist von grundlegender Bedeutung für Gentests und die Identifizierung von Infektionserregern wie SARS-CoV-2, und damit COVID-19.

Der MDx-Markt wird dominiert von PCR basierten DNA-Tests. Das Volumen wird auf rund 10 Mrd. US-Dollar geschätzt, wobei die jährliche Wachstumsrate bei 9% liegt. Lösungen im Point-of-Care-Testing (POCT) stellen in diesem Markt das am schnellsten wachsende Segment dar. Sie ermöglichen es medizinisch geschulten Personal, außerhalb von Laboren zu testen – zum Beispiel in Arztpraxen, in Testzentren, Apotheken, in Altersheimen oder auch in der häuslichen Pflege. Der Weg ins Labor und zurück entfällt. In den komplexen POCT-Systemen sind Thermocycler nur eines von mehreren Subsystemen. Für die Zuverlässigkeit und Präzision der Messergebnisse sind sie aber entscheidend.

Anders als bei PCR-Tests im Labor, müssen bei patientennaher Diagnostik komplexe Workflows nahtlos integriert werden, um die Handhabung zu vereinfachen und potenzielle Kontaminations- und Fehlerquellen auszuschließen. Eine wichtige Rolle spielt das system- oder herstellerspezifische Verbrauchsmaterial – die Kartuschen – in denen die Assays durchgeführt werden. Standardisierte Thermocycler für die PCR reichen in solchen Systemen nicht aus.

Der MDx-Markt wird dominiert von PCR-Tests, mit einem Volumen von rund 10 Mrd. US-Dollar und einer jährlichen Wachstumsrate von 9%.

Herausforderung beim Thermocycler-Design.

Bei der Entwicklung und Realisierung eines Thermocyclers für Point-of-Care-Testing stand Plexus vor mehreren Herausforderungen. So unterliegen alle Einrichtungen in den USA, in denen klinische Tests durchgeführt werden, den Bestimmungen der Clinical Laboratory Improvement Amendments of 1988 (CLIA). Für das POCT-Gerät des Kunden musste daher ein CLIA-Waiver – also eine Ausnahmegenehmigung – beantragt werden. Zudem galt es hohe Zuverlässigkeit und Präzision der Lösung auch außerhalb der Laborumgebung sicherzustellen.

Auch das technische Design des Thermocycler verlangte nach innovativen Ansätzen: Die Steuerung musste sowohl schnelle als auch reproduzierbare PCR-Zyklen ermöglichen. Notwendig war auch ein Mechanismus, der unterschiedliche Positionierung der Kartuschen zuließ. Eine thermische Schnittstelle sollte zudem eine effiziente und präzise Temperaturkontrolle garantieren.

Doch das waren noch längst nicht die schwierigsten Aufgaben für das Plexus-Team. Anders als in herkömmlichen Systemen musste die wiederholten Prozesse bzw. Zyklen der PCR innerhalb der Kartuschen des Systems stattfinden und nicht auf den üblichen PCR-Platten und Tubes. Diese Kartuschen legen eine logische Reihenfolge bei der Analyse fest, wodurch sich CLIA-Standards in Bezug auf Performance und Zuverlässigkeit erfüllen lassen. Das Design ist hoch-komplex. In der Regel besitzen die Test-Kartuschen eine unregelmäßige Polymeroberfläche. Als thermische Schnittstelle zur thermoelektrischen Kühlung (TEC) – den am häufigsten verwendeten Komponente zum Aufheizen und Abkühlen einer PCR-Kammer – eignet sich dieses Material jedoch wenig. Zudem sind die Kartuschen in der Regel mit mehreren PCR-Kammern ausgestattet, um die parallele Analyse mehrerer Proben zu ermöglichen. Das System des Kunden war ähnlich angeordnet und sollte den mehrstufigen, thermischen Prozess der PCR parallel in drei Kammern durchführen können. Gleichzeitig sollten Kammern zur Real-Time-PCR zur Verfügung stehen, bei der der Verlauf der Genamplifikation durch den Zusatz spezieller Fluoreszenzfarbstoffe in Echtzeit überwacht werden kann.

Kundenspezifische Thermocycler-Lösung.

Der Anforderungskatalog war lang: Schnelle und präzise Temperaturzyklen, parallele Probenkammern in einer Kartusche sowie eine schwierige thermische Schnittstelle. Das Ziel war eine Lösung, die eine erfolgreiche und reproduzierbare PCR ermöglichte und damit eine zuverlässige Labordiagnostik am Point-of-Care erlaubte.

Um dies zu erreichen, brachte Plexus seine Erfahrung aus dem Thermomanagement sowie in der Entwicklung von Kontrollanwendungen ein. Das Team an Ingenieuren analysierte zunächst das Design des Thermocyclers, einschließlich des Kartuschensystems, und identifizierte kritische Aspekte in der Steuerung, dem Kartuschen-Mechanismus und der thermischen Schnittstelle. Um festzustellen, welches Design die Anforderungen am besten erfüllte, wurden eine Vielzahl an Optionen getestet und validiert. Schließlich entschied sich Plexus für ein Design, das sowohl die technischen Aspekte als auch kritische Faktoren wie Rohstoffkosten, Entwicklungszeit, Herstellbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Lebensdauer der Komponenten berücksichtigte.

Das neue MDx-System unterstützt das Kartuschendesign des Kunden und nutzt thermoelektrische Kühlung (TEC) von langjährigen Lieferanten. Damit konnte eine hohe Skalierbarkeit sowie Zuverlässigkeit erreicht werden.

Das Plexus-Design garantiert eine schnelle, präzise und zuverlässige Labordiagnostik:

Minimierung von Anomalien in der Oberflächenrauheit der Kartuschen zur Verbesserung der thermischen Schnittstelle vor der Probenanalyse
Anpassung von starken Krümmungen der Kartusche und/oder Oberflächenanomalien in einer Größenordnung von 150µm
Wärmeableitung zur Unterstützung des TEC und zum schnellen Anpassen der Temperaturen zwischen Umgebungstemperatur und 95°C
Temperaturuniformität von Probe zu Probe zwischen den Kartuschenkammern sowie Reproduzierbarkeit von Einheit zu Einheit

Das finale Design des Thermocyclers schafft es, die Reproduzierbarkeit von Tests bei gleichzeitig schnellen Wechsel zwischen hohen und niedrigen Temperaturen für die PCR sicherzustellen. Die Lösung liefert einheitliche, wiederholbare Ergebnisse sowie präzise Temperaturkontrolle in allen Bereichen – zwischen den Zyklen, den PCR-Kammern und im Verhältnis zu Sollwerten.

Plexus nutzte seine umfassenden Design- und Supply Chain-Expertise sowie seine langjährige Erfahrung bei thermischen Schnittstellen und Temperaturmanagement, um die Anforderungen einer solchen Anwendung zu erfüllen.

Schnelligkeit in einem auf wettbewerbsstarken Markt.

In einem so wettbewerbsintensiven und schnelllebigen Markt wie der Molekulardiagnostik ist die Zeit vom Konzept bis zur Markteinführung eines neuen Produkts entscheidend. Die Wahl des richtigen Entwicklungs- und Fertigungspartners kann den Unterschied zwischen einer erfolgreichen Einführung eines Geräts und einem überzogenen Budgets oder geringeren Marktanteilen sein.

Bei der Zusammenarbeit mit Plexus konnte der OEM auf das umfassende und branchenübergreifende Fachwissen, z. B. bei der Temperaturwechselbeanspruchung, zurückgreifen. Plexus verfügt hier über umfassende Erfahrung aus zahlreichen vorangegangenen Projekten – angefangen bei der Entwicklung über die Fertigung bis hin zur Markteinführung.

Der von Plexus entwickelte Thermocycler ist eines von vielen Subsystemen innerhalb der komplexen MDx-Lösung, bei denen der Kunde auf den EMS-Dienstleister setzte. Der Branchen-Fokus von Plexus auf Life Sciences, seine integrierten Engineering-Prozesse in diesem Bereich, die langjährige Erfahrung sowie die globalen Fertigungskapazitäten bildeten den Ausgangspunkt für ein außergewöhnliches Produkt. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf einem Null Fehler-Produkt sowie der reibungslosen Auslieferung der patientennahe MDX-Lösung an Kliniken, Arztpraxen und Testzentren.

Thermocycler für Point-of-Care Molekulardiagnostik