TY  - THES
A1  - Hofmann, Stefan
T1  - Hybridisierungsbasierte Multiplex-Detektion von microRNA mit CMOS-Technologie für die Anwendung in der Point-of-Care-Diagnostik
T1  - Hybridization-based multiplex detection of microRNA using CMOS technology towards point-of-care diagnostics
N2  - MicroRNAs sind kurze, nicht-kodierende Ribonukleinsäuren, die eine wichtige Rolle bei der Genregulation spielen. Sie sind an vielen physiologischen Prozessen beteiligt und werden als vielversprechende Kandidaten für eine neue Generation von Biomarkern gehandelt. Die Quantifizierung von miRNAs aus Blut oder anderen Körperflüssigkeiten verspricht eine frühe Diagnose verschiedener Krankheitsbilder. Dazu zählen neben zahlreichen Krebsformen unter anderem auch Autoimmun- oder Herz-Kreislauferkrankungen. Um diese Biomarker schnell, sensitiv und spezifisch detektieren zu können, werden geeignete Detektionssysteme benötigt. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Point-of-Care-Systemen, die eine automatisierte Durchführung mit einfacher Handhabung verlangen.
Mikrochips können als leistungsfähige technische Hilfsmittel für eine robuste und miniaturisierte Signalerfassung an biochemischen Grenzflächen dienen. Auf der Grundlage eines CMOS-Chips mit einem Sensorarray aus interdigitalen Gold-Elektroden sollte in dieser Arbeit eine quantitative und multiplexfähige miRNA-Detektionsmethode mit elektrochemischer Signaltransduktion entworfen und untersucht werden. Weitere wichtige Zielfaktoren waren eine einfache und schnelle Durchführbarkeit, eine hohe Spezifität und eine gute Sensitivität bei gleichzeitigem Verzicht auf Amplifikation und Vormarkierung des Ausgangsmaterials.
Es wurden verschiedene Methoden entworfen, überprüft, untersucht, optimiert und weiterentwickelt. Das beste Ergebnis wurde letztlich mit einem als Sandwich-Ligations-Methode bezeichneten Verfahren erzielt. Dabei wird zunächst ein aus zwei doppelsträngigen Assay-Komponenten und der Ziel-miRNA bestehender dreiteiliger Hybridisierungskomplex gebildet, der eine beidseitige spezifische Ligation der miRNA mit einem auf der Sensoroberfläche immobilisierten Fängerstrang und einem enzymmarkierten Reporterstrang vermittelt. Durch einen anschließenden Waschschritt werden alle überschüssigen Markierungen vom Detektionsbereich entfernt, so dass bei der Detektion nur Reporterenzyme ausgelesen werden, die über die Ziel-miRNA kovalent mit dem immobilisierten Strang verbunden sind. Dieses Signal ist daher proportional zur Ausgangskonzentration der gesuchten miRNA.
Die Methode wurde mit Hilfe von synthetischen miRNAs etabliert und optimiert. Sie erreichte eine analytische Sensitivität von unter 1 pM Ziel-Nukleinsäure bei einer Gesamt-Versuchsdauer von nur 30 Minuten. Konzentrationsreihen demonstrierten einen linearen dynamischen Messbereich zwischen 1 pM und 1 nM, der eine verlässliche Quantifizierung der detektierten miRNAs in diesem Bereich ermöglicht. Die sehr gute Spezfifität des Assays zeigte sich bei der Untersuchung des Einflusses verschiedener IsomiRs auf das Messergebnis sowie im Rahmen von Experimenten mit miRNAs der let-7-Familie. Dabei konnten Ziel-Nukleinsäuren mit Einzelbasenunterschieden klar differenziert werden. Die Multiplexfähigkeit der vorgestellten Methode wurde durch die gleichzeitige Quantifizierung von bis zu acht miRNAs auf einem CMOS-Chip demonstriert, zuzüglich Kontrollen.
Die Validierung der Detektionsmethode erfolgte mit Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblutproben. Dazu wurde ein kardiales Panel aus acht miRNAs, die auf Basis von Studien zu zirkulierenden miRNAs bei Herzerkrankungen ausgewählt wurden, festgelegt. Mit Hilfe der entsprechenden optimierten Detektionskomponenten wurden aus Spenderblut gewonnene endogene miRNAs analysiert. Dabei zeigte sich für fünf der acht Kandidaten sowohl eine solide Korrelation zwischen eingesetzter Gesamt-RNA-Menge und Messsignal, als auch eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. 
Die Konzentrationen der übrigen drei miRNAs lagen nah am unteren Detektionslimit und lieferten daher keine verlässlichen Daten. Mit Hilfe sogenannter branched DNA zur Signalamplifikation könnte bei Bedarf die Sensitivität des Assays noch verbessert werden, was durch weitere Experimente dieser Arbeit demonstriert wurde.
Ein Vergleichsexperiment zwischen der Sandwich-Ligations-Methode und qRT-PCR zeigte nur eine schwache Korrelation der Messergebnisse. Dies ist jedoch konsistent mit anderen Studien zur Vergleichbarkeit unterschiedlicher Detektionsmethoden.
Abschließend wurden die miRNAs des kardialen Panels in Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblut von Herzinfarktpatienten und Kontrollen mit der entwickelten Detektionsmethode analysiert und die Ergebnisse verglichen. Dabei konnten Abweichungen in den Konzentrationen von miR-15a und miR-425 aufgedeckt werden. Eine entsprechende diagnostische Untersuchung mit der hier vorgelegten und validierten Detektionsmethode könnte eine Alternative oder Ergänzung zu aktuell eingesetzten proteinbasierten Tests bieten.
N2  - MicroRNAs are short, non-coding ribonucleic acids that play an important role in gene regulation. They are involved in many physiological processes and therefore considered as auspicious candidates for a new generation of biomarkers. The quantification of miRNAs from blood or other body fluids promises early diagnosis of various diseases, including autoimmune disorders, cardiovascular disease as well as different types of cancer. For a fast, sensitive and specific detection of these biomarkers, suitable detection systems are needed. A particular focus is thereby on the development of point-of-care systems, which require an automatized work-flow with easy handling.
Microchips are powerful technical tools for a robust and miniaturized signal acquisition at biochemical interfaces. Based on a CMOS chip providing an array of interdigitated gold electrode sensors, a quantitative multiplex miRNA detection method with electrochemical readout should be designed and investigated in this work. A fast and easy workflow, a high specificity and a good sensitivity without amplification or prelabeling of the target material were additional important goals.
Several approaches were designed, tested, investigated, optimized and refined. In the end a method labeled as Sandwich Ligation Assay provided the best results. In this procedure, a tripartite hybridization complex is created by two double-stranded assay components and the target nucleic acid. This formation mediates a specific both-sided ligation of the miRNA to an immobilized capture strand on the sensor surface and to an enzyme-linked reporter strand. A subsequent washing step removes all excessive label conjugates from the sensor array. Thus only reporter enzymes that are covalently bound to the immobilized capture strand via the target miRNA are measured during detection. The acquired signal is therefore proportional to the initial concentration of the respective target.
The Sandwich Ligation Assay was established and optimized using synthetic miRNAs. A sensitivity of less than 1 pM nucleic acid target could be achieved at a time to result of only 30 minutes. Generated concentration curves showed a linear dynamic range between 1 pM and 1 nM allowing a reliable quantification of detected miRNAs in this scope of measurement. Experiments with miRNAs of the let-7 family that exhibited only one or two nucleotide differences demonstrated a very good specificity of the presented method, as did the investigation of the influence of IsomiRs on the measurement signal. The ability of multiplex measurement was verified by the simultaneous quantification of up to eight miRNAs plus controls on one CMOS chip.
The detection method was validated using total RNA extracts gained from whole blood samples. Therefore a cardiac panel composed of eight miRNA candidates was assorted by leveraging the results of studies about circulating miRNAs in heart disease. The optimized corresponding detection components were used to analyze endogenous miRNAs from donor blood. Five of the eight candidates showed a solid correlation between the applied amount of total RNA and the measurement signal as well as a good reproducibility of results with CV values ranging from 0.04 to 0.13.
The concentrations of the three remaining miRNAs were too close to the lower detection limit and hence didn’t provide reliable data. A signal amplification using so-called branched DNA can be integrated into the measurement procedure to further enhance the sensitivity of the assay, if required. This was demonstrated by additional experiments of this thesis.
A comparison between the Sandwich Ligation Assay and qRT-PCR showed only weak correlation of measurement results, which is in line with previous studies about interplatform comparability.
Finally, the miRNAs of the cardiac panel were analyzed in total RNA samples extracted from whole blood of patients with myocardial infarction and controls using the established detection method. By comparison of the results dysregulations of the particular miRNAs miR-15a and miR-425 could successfully be identified. A respective diagnostic test using the proposed measurement procedure could provide an alternative or a complement to the currently applied immunoassays.
KW  - miRNS
KW  - Diagnostik
KW  - Molekulare Hybridisierung
KW  - Detektion
KW  - miRNA-Detektion
KW  - molecular diagnostics
KW  - point-of-care
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150949
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fleischer, Anna
T1  - Durchführbarkeit und diagnostische Genauigkeit der tragbaren 
Echokardiographie am Krankenbett von Patienten und 
Patientinnen mit ischämischem Schlaganfall auf Stroke Unit 
- eine Pilotstudie
T1  - Feasibility and diagnostic accuracy of point-of-care handheld 
echocardiography in acute ischemic stroke patients 
- a pilot study
N2  - Beinahe jeder dritte ischämische Schlaganfall ist ursächlich auf Erkrankungen des Herzens zurückzuführen. Daher empfehlen Leitlinien allen Patienten und Patientinnen, bei denen eine kardioembolische Ätiologie des Schlaganfalls vermutet wird und bei denen ein Vorhofflimmern nicht bereits bekannt ist, als Teil der Routinediagnostik eine echokardiographische Untersuchung, um Hinweise auf die Ätiologie des ischämischen Schlaganfalls zu gewinnen und um gegebenenfalls Maßnahmen zur Sekundärprävention einleiten zu können. Jedoch ist der Zugang zu solchen echokardiographischen Untersuchungen oftmals limitiert, besonders für Patienten und Patientinnen auf Stroke Units, denn dort überschreitet die Nachfrage häufig die verfügbaren personellen und instrumentellen Kapazitäten. Zudem stellt der Transport bettlägeriger Patienten und Patientinnen in andere Abteilungen eine Belastung dar.
Daher stellt sich die Frage, ob zukünftig im Rahmen wissenschaftlicher Studien POC-Echokardiographie-Geräte zur Diagnostik bestimmter Herzerkrankungen einschließlich einer systolischen Dysfunktion bei Patienten und Patientinnen mit ischämischem Schlaganfall eingesetzt werden können, mit dem Ziel Patienten und Patientinnen zu identifizieren, die von einer erweiterten echokardiographischen Untersuchung profitieren könnten. Im Rahmen der vorliegenden prospektiven Validierungsstudie untersuchte eine Studentin 78 Patienten und Patientinnen mit akutem ischämischem Schlaganfall mithilfe eines POC-Echokardiographie-Geräts auf der Stroke Unit der Neurologischen Abteilung des Universitätsklinikums Würzburg. Im Anschluss daran erhielten alle 78 Patienten und Patientinnen eine Kontrolluntersuchung durch eine erfahrene Echokardiographie-Raterin mithilfe eines SE-Geräts in einem externen Herzzentrum.
Die diagnostischen Qualitäten des POC-Echokardiographie-Geräts für Forschungszwecke zur fokussierten kardialen Diagnostik nach ischämischem Schlaganfall im Vergleich zu einer SE-Untersuchung konnten mithilfe der Validierungsstudie bestätigt werden. Es zeigte sich insbesondere, dass die POC-Echokardiographie für die Detektion einer LVEF≤55% mit einer Sensitivität von 100% geeignet war.
Um zu evaluieren, ob sich das POC-Echokardiographie-Gerät in Zukunft auch in der klinischen Praxis als Screeninginstrument eignet, mit dem Ziel eine individuelle Behandlung von Schlaganfallpatienten und -patientinnen zu gewährleisten, müssen größere, prospektive Studien durchgeführt werden, in denen die Fallzahl für bestimmte kardiologische Erkrankungen ausreichend hoch ist.
N2  - Almost one in three ischemic strokes is attributable to cardiac causes. For this
reason, guidelines recommend echocardiography as part of routine diagnostic
workup for all patients without known atrial fibrillation whose stroke is likely to be
of cardio embolic origin to determine the underlying cause of stroke and for
guiding secondary prevention. [162].
Access to echocardiography, however, is often limited, especially for patients at
Stroke Unit, as demand has often been lager than supply in terms of staff and
instrumental capacities. Besides, the transport of bedridden patients to different
departments can be challenging. Therefore, we investigated the utility and
accuracy of POC echocardiography in acute stroke patients concerning the
diagnosis of certain cardiac diseases including systolic dysfunction, with the aim
to identify those patients, who could benefit from an extended cardiac
examination.
In this prospective pilot study a student at stroke unit of the University Hospital
Würzburg performed POC echocardiography in 78 patients. In addition, all
patients underwent a reference transthoracic standard echocardiography
performed on a high-end ultrasound device by an expert sonographer of an
external Heart Failure Center.
Our study showed that POC echocardiography performed at stroke unit is
feasible and achieves reliable results regarding selected key characteristics of
cardiac dimensions and function. Sensitivity of POC echocardiography for
detecting systolic dysfunction was 100%.
Its further clinical use as a screening tool for guiding individual patient treatment
for patients at stroke unit needs to be established in larger prospective diagnostic
studies with a sufficient number of patients with peculiar cardiologic findings.
[124]
KW  - Schlaganfall
KW  - Validierungsstudie
KW  - validation study
KW  - Echokardiographie
KW  - echocardiography
KW  - point-of-care
KW  - feasibility
KW  - diagnostic accuracy
KW  - ischämischer Schlaganfall
KW  - Stroke Unit
KW  - ischemic stroke
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296547
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bergauer, Lisa
A1  - Akbas, Samira
A1  - Braun, Julia
A1  - Ganter, Michael T.
A1  - Meybohm, Patrick
A1  - Hottenrott, Sebastian
A1  - Zacharowski, Kai
A1  - Raimann, Florian J.
A1  - Rivas, Eva
A1  - López-Baamonde, Manuel
A1  - Spahn, Donat R.
A1  - Noethiger, Christoph B.
A1  - Tscholl, David W.
A1  - Roche, Tadzio R.
T1  - Visual Blood, visualisation of blood gas analysis in virtual reality, leads to more correct diagnoses: a computer-based, multicentre, simulation study
JF  - Bioengineering
N2  - Interpreting blood gas analysis results can be challenging for the clinician, especially in stressful situations under time pressure. To foster fast and correct interpretation of blood gas results, we developed Visual Blood. This computer-based, multicentre, noninferiority study compared Visual Blood and conventional arterial blood gas (ABG) printouts. We presented six scenarios to anaesthesiologists, once with Visual Blood and once with the conventional ABG printout. The primary outcome was ABG parameter perception. The secondary outcomes included correct clinical diagnoses, perceived diagnostic confidence, and perceived workload. To analyse the results, we used mixed models and matched odds ratios. Analysing 300 within-subject cases, we showed noninferiority of Visual Blood compared to ABG printouts concerning the rate of correctly perceived ABG parameters (rate ratio, 0.96; 95% CI, 0.92–1.00; p = 0.06). Additionally, the study revealed two times higher odds of making the correct clinical diagnosis using Visual Blood (OR, 2.16; 95% CI, 1.42–3.29; p < 0.001) than using ABG printouts. There was no or, respectively, weak evidence for a difference in diagnostic confidence (OR, 0.84; 95% CI, 0.58–1.21; p = 0.34) and perceived workload (Coefficient, 2.44; 95% CI, −0.09–4.98; p = 0.06). This study showed that participants did not perceive the ABG parameters better, but using Visual Blood resulted in more correct clinical diagnoses than using conventional ABG printouts. This suggests that Visual Blood allows for a higher level of situation awareness beyond individual parameters’ perception. However, the study also highlighted the limitations of today’s virtual reality headsets and Visual Blood.
KW  - virtual reality
KW  - blood gas analysis
KW  - data display
KW  - point-of-care
KW  - situation awareness
KW  - user-centred design
KW  - diagnostic correctness
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-310979
SN  - 2306-5354
VL  - 10
IS  - 3
ER  -