Kleines Unternehmen, große Herausforderung: Elvesys entwirft weltweit schnellste Plattform für den Nachweis von Krankheitserregern

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"Wir benötigen hohe Genauigkeit, hohe Präzision und hohe Geschwindigkeit für die Erfassung. Wir haben NI-Hardware in der Anfangsphase eingesetzt und dank des Preises von NI können wir diese Karte auch in den von uns verkauften Endprodukten verwenden. Das ist ein Riesenvorteil zur Senkung der Entwicklungskosten."

- Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder, Elvesys

The Challenge:
Krisensituationen im öffentlichen Gesundheitsbereich treten leider nicht mehr nur in apokalyptischen Romanen oder Hollywood-Thrillern auf. Krankheiten wie Ebola und Influenza sowie Gesundheitsbedrohungen wie Anthrax sind sehr reale Folgen einer wachsenden und mobilen Weltbevölkerung. Das Etablieren von Nachweismethoden, mit denen diese Bedrohungen schnell und zuverlässig diagnostiziert werden können, hat daher wahrhaft lebensrettendes Potenzial.

The Solution:
Elvesys, ein kleines französisches Start-up-Unternehmen, hat mit Datenerfassungshardware von NI und der Softwareumgebung LabVIEW die weltweit schnellste Plattform für den Nachweis von Krankheitserregern entwickelt, um möglichst kostengünstig Diagnosen zu stellen.

Author(s):
Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder - Elvesys
Dr Guilhem Velvé Casquillas, CEO and Cofounder - Elvesys

 

Sich einer großen Herausforderung stellen und Pandemien bekämpfen  

Zeit und Genauigkeit sind wichtige Aspekte, wenn es darum geht, Erreger wirkungsvoll nachzuweisen. Aus diesem Grund hat die US-amerikanische National Academy of Engineering die Förderung der medizinischen Informatik als eine ihrer großen technischen Herausforderungen im 21. Jahrhundert identifiziert. Hinter dieser großen Herausforderung steckt vor allem die Absicht, die Vorbereitungen sowie die Reaktionen auf Notfälle im öffentlichen Gesundheitsbereich zu verbessern, etwa bei Pandemien und chemischen oder biologischen Waffen.

 

Eine rekordverdächtige und lebensrettende Antwort

Die heutigen Technologien zum Erregernachweis erfordern viel Zeit und eine kostspielige Laborausstattung, um genaue und zuverlässige Testergebnisse zu erzielen. Um einen Ausbruch lebensbedrohlicher Erreger wie Ebola und Anthrax zu verhindern, zählen sogar Minuten.

Darum hat Elvesys Fastgene entwickelt, die weltweit schnellste Technologie zum Nachweis von Krankheitserregern in einem Tropfen Blut oder Speichel. Mithilfe von Fastgene können Mitarbeiter im Gesundheitswesen Ebola in sechs und Anthrax in sieben Minuten feststellen. Damit ist Fastgene sieben- bzw. 14-mal schneller als die derzeit besten Technologien. Dadurch kann Behandlungszeit für Patienten gewonnen und die Expositionszeit verkürzt werden, um einen Ausbruch zu verhindern.

 

Abb. 1: Die Technologie Fastgene für den Erregernachweis

 

Technologie

Fastgene baut auf den Technologien zur Mikrofluidik von Elvesys auf. Bei Mikrofluidik handelt es sich um eine Technologie, die aus der Mikroelektronik entstand und eine präzise Steuerung von Flüssigkeitsproben erlaubt. Da die Probe nur die Größe eines einzigen Bluts- oder Speicheltropfens haben muss, können mehrere Diagnosevorgänge in ein einziges „Lab-on-a-Chip“ integriert werden. Fastgene vervielfacht umgehend einen bestimmten DNA-Abschnitt, um die Anzahl der in der Probe vorhandenen Kopien zu erhöhen, sodass der Nachweis von Erregern erheblich vereinfacht wird.

Der Erfolg dieser Mikrofluidikplattform beruht auf drei Schlüsselkomponenten: dem System für die Verwaltung der Mikrofluidikproben, einem Fluoreszenzmarker-Erkennungs- und -Messsystem sowie einer Softwareschnittstelle zur Steuerung des gesamten Prozesses. Während der Vervielfachung der DNA wird die Gesamtmenge der in der Probe vorhandenen Erreger bestimmt, indem ein fluoreszierender Abschnitt in jedem DNA-Replikat nachgewiesen wird.

Da die DNA-Vervielfachung in einem zügigen Tempo erfolgt, muss auch das Erkennungssystem für die Fluoreszenzmarker ohne Abstriche bei der Genauigkeit damit Schritt halten. Um dies zu erreichen, brachte Elvesys unter der Marke Elveflow ein benutzerdefiniertes Fluoreszenz-Lesegerät, basierend auf dem kostengünstigen Datenerfassungsgerät NI USB-6003, auf den Markt. Um ein komplexes Laborverfahren zu vereinfachen, waren softwareintegrierte Hardware mit einer Erfassungsgeschwindigkeit von 100 kHz und die Möglichkeit, geringe Abweichungen in der DNA auch bei hohem Hintergrundrauschen erkennen zu können, erforderlich. Damit die Anzahl an DNA-Proben genau erfasst werden kann, musste die Auflösung 16 bit betragen.

 

Abb. 2: Elvesys entschied sich für NI-Datenerfassungshardware, da diese eine hohe Genauigkeit, Präzision, Erfassungsgeschwindigkeit und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

 

Elvesys setzte die Software LabVIEW und die über 950 integrierten Analysefunktionen ein, um die Präzision und Geschwindigkeit zu optimieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren. Trotz der komplexen Automatisierung des Fluoreszenz-Lesegeräts, der DNA-Erkennung und der Datenanalyse erstellte Elvesys eine Benutzeroberfläche mit LabVIEW, mit der sich der Einsatz im Feld einfach gestaltet.

 

Abb. 3: Die nahtlose Integration von NI-Datenerfassungshardware und LabVIEW zur Steuerung des Fastgene-Systems verringert die Entwicklungszeit erheblich.

 

Entwicklungszeit mit LabVIEW und NI-Datenerfassungsgeräten verkürzen 

Mithilfe eines kleinen Teams von 20 Personen hat Elvesys über Elveflow die Technologien auf den Markt gebracht, mit denen das System Fastgene für den Erregernachweis entwickelt wurde. Für ein äußerst innovatives Start-up-Unternehmen mit schnellen Entwicklungszyklen und ohne Finanzierung von außen spielte die Verfügbarkeit komplett benutzerdefinierbarer Datenerfassungshardware, die in einer High-Level-Entwicklungsumgebung programmiert werden konnte, eine wesentliche Rolle für den Erfolg dieses und anderer Elveflow-Messgeräte.

Tatsächlich hat Elvesys seine gesamte Plattform für den Erregernachweis in weniger als zwei Jahren entworfen, entwickelt und als Prototyp umgesetzt. Dies erweckte die Aufmerksamkeit der französischen amtlichen Beschaffungsstelle (State Procurement Agency, SAE). Die SAE gab die Entwicklung eines weiteren Prototyps bei Elvesys in Auftrag, den französische Truppen im Feld einsetzen können. Dieser Prototyp soll nicht nur Truppen und Städte schützen, sondern vor allem zur zügigen und kostengünstigen Diagnose angewendet werden.

Dank des Einsatzes fortschrittlicher Mikrofluidiktechnologie und eines zuverlässigen Messsystems von NI wurde Elvesys im Rahmen der „Worldwide Innovation Challenge“ der französischen Regierung ausgezeichnet.

 

Abb. 4: Elveflow ist inzwischen eine global führende Marke im Bereich der wissenschaftlichen Messtechnik für die Mikrofluidik.

 

Author Information:
Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder
Elvesys
France

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