Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3380
Main Title: Development of a rapid diagnostic platform for nucleic acid testing of infectious pathogens
Translated Title: Entwicklung einer rapid diagnostischen Plattform zur Nukleinsäure-Detektion von infektiösen Pathogenen
Author(s): Patel, Pranav
Advisor(s): Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Mehrere Faktoren wie z.B. die Klimaveränderung, die wirtschaftliche und demographische Entwicklung, menschliches Verhalten sowie internationaler Tourismus und Handel, haben weltweit zum Auftreten und zur Ausbreitung von Infektionskrankheiten geführt. Dies hat in vielen Ländern zu einem großen Problem der öffentlichen Gesundheit beigetragen. Die potenzielle Nutzung von Infektionserregern für bioterroristische Angriffe ist neben dem natürlichen Auftreten der Erreger ein zusätzliches Risiko für die Bevölkerung. Anthrax, schweres akutes Atemnotsyndrom (SARS), Dengue (DEN), Malaria, Gelbfieber (YF), West-Nil (WN), Vogelgrippe (H5N1), Schweinegrippe (H1N1 2009), hämolytisch-urämisches Syndrom und blutiger Durchfall (z.B. EHEC O104: H4) sind einige der kürzlich aufgetretenen „Emerging“ und „Re-emerging“ Infektionskrankheiten, die Krankheitsausbrüche beim Menschen verursacht haben. Die mit diesen Infektionskrankheiten verbundene Belastung durch Morbidität und Mortalität betrifft die menschliche Population weltweit und verursacht oft soziale Ängste. Die aktuellen Fortschritte von biochemischen Methoden und Mikrofluidik-Technologien öffnen eine völlige neue Perspektive bei der Point-of-Care-Diagnostik für Infektionserreger. Die momentan angwendeten molekularen Teste sind sehr Komplex und daher können sie derzeit nur in großen Krankenhäusern, Referenz- und Forschungs-Laboren durchgeführt werden. Die wesentlichen Aufgaben zur Entwicklung günstiger diagnostischer Teste wären daher Wirtschaftlichkeit, kommerzielle Verfügbarkeit, Automatisierung und integrierte Diagnostik-Plattformen. In dieser Arbeit geht es um die Etablierung neuer biochemischer Methoden und um die Entwicklung von diagnostischen Plattformen für die schnelle Erkennung von Infektionskrankheiten. Hierzu wurden wichtige Methoden der Nukleinsäure-Testung einschließlich Probenaufreinigung, Probenvorbereitung, Nukleinsäureamplifikation und Detektion weiterentwickelt, um die bestehenden Probleme der molekularen Diagnostik zu überwinden. Mit dieser neuen Methode wurde dann die schnelle Erkennung einiger kürzlich aufgetretener „Emerging“ und „Re-emerging“ Infektionserreger getestet. Diese Arbeit präsentiert die erfolgreichen Schritte zur Etablierung von molekulardiagnostischen Plattformen (von „High-Tech“ bis zu einfacheren Plattformen) durch Nutzung von bestehenden und neu entwickelten Nukleinsäure-Nachweis-Techniken. Zum einen wurde eine automatisierte diagnostische Plattform basierend auf Mikrofluidik entwickelt. Dabei wurde eine neuartige Probenvorbereitung und isothermale Amplifikationstechnologie zwecks biologischer Sicherheit eingesetzt. Zum anderen wurden die gleichen Techniken mit vorhandenen einfachen Biosensoren wie Fluoreszenzdetektoren und Lateral-Flow-Streifen kombiniert, um die molekulare Diagnostik von „Emerging“ und „Re-emerging“ Infektionserregern wie Flavi-Viren und Influenza-Viren zu entwickeln. Einige dieser Techniken wurden erfolgreich zur molekularen Diagnostik von Infektionskrankheiten sowohl in Referenzlaboratorien als auch in einfach ausgestatteten Einrichtungen angewendet, wo auch zukünftig andere Techniken unter realen Bedingungen zur Erkennung von Infektionserregern getestet werden sollen. Zusammengefasst sind einfache und präzise diagnostische Teste zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten entwickelt worden. Dazu wurden auch alternative Ansätze entwickelt, um Verfügbarkeit und Zugang zu dieser Technik auch für wenig entwickelte Gebiete mit Bedarf zu erleichtern. Darüber hinaus eignen sich einige dieser diagnostischen Verfahren als nützliches Werkzeug zum Nachweis von „Emerging“ und „Re-emerging“ Krankheiten und können für die öffentliche Gesundheitsversorgung vorteilhaft sein. Sie könnten eine wichtige Hilfe für Patienten-Management, Überwachung von Krankheiten und epidemiologische Studien sein, sowie die schnelle Identifizierung von Infektionskrankheiten in Notfällen ermöglichen.
Multiple factors, including climate change, economic development, human demographics and behavior, international tourism and global trade, have contributed to the emergence and spread of infectious diseases in many countries worldwide thus becoming a major public health problem. Besides the natural incidents, the potential use of infectious pathogens for bioterror attack is an additional risk to the human population. Anthrax, severe acute respiratory syndrome (SARS), dengue (DEN), malaria, yellow fever (YF), west nile (WN) fever, bird flu (H5N1), swine flu (H1N1 2009), and hemolytic uremic syndrome and bloody diarrhea (e.g. EHEC O104:H4) are some of the recent emerging and re-emerging infectious diseases that have caused outbreaks of human diseases. The burden of morbidity and mortality associated with these infectious diseases affects the human population globally and causes widespread social panic. The recent advances in biochemical methods and microfluidic technologies open a new perspective for point-of-care diagnostics of infectious pathogens. This can eliminate the high complexity associated with molecular testing currently performed in large hospitals, reference- and research-laboratories. However, cost‐effectiveness, commercial availability, automation, and integrated diagnostic platforms are still the essential targets to develop affordable diagnostic tests. This thesis focuses on the establishment of novel biochemical methods and the development of diagnostic platforms for the rapid detection of infectious diseases. All the important methods of nucleic acid testing including sample pre-treatment, sample preparation, nucleic acid amplification, and detection have been developed to overcome the major existing problems for the development of molecular diagnostics and tested for the rapid detection of recent emerging and re-emerging infectious pathogens. This work presents the achievements made towards establishing molecular diagnostic platforms ranging from high-tech to a simple platform using the existing and newly developed nucleic acid detection techniques. On one hand, an automated microfluidic diagnostic platform was developed utilizing a novel sample preparation and isothermal amplification technologies for biodefense applications. On the other hand, the same techniques were combined with existing simple biosensor devices such as fluorescence readers and lateral flow strips to develop molecular diagnostics of emerging and re-emerging pathogens such as influenza viruses and flaviviruses. Some of these techniques were successfully applied for the molecular diagnostics of infectious diseases in reference laboratories and low-resource settings, while other techniques are going to be tested under real conditions for the detection of infectious pathogens. In conclusion, simple and accurate diagnostic tests were developed to combat the infectious diseases, and alternative approaches were explored in order to make these techniques available and accessible to wider range of people. Furthermore, some of these diagnostic methods could be an useful tool for the detection of emerging and re-emerging diseases. They would have a beneficial impact on public health care permitting the important assistance for patient management, disease surveillance, epidemiological studies, and rapid identification of infectious diseases in emergencies.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37231
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3677
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3380
Exam Date: 16-Aug-2012
Issue Date: 22-Oct-2012
Date Available: 22-Oct-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Lab-on-chip
LabDisc
Real-time RT-qPCR
RPA
Vorortanalyse
Lab-on-chip
LabDisc
Point-of-care
Real-time RT-qPCR
RPA
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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