Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur haben ein münzgroßes Gerät erfunden

Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur haben einen münzgroßen Chip namens ExoArc entwickelt, der Blutplasma in nur 30 Minuten isolieren kann und damit bequemer und benutzerfreundlicher ist als der derzeitige mehrstufige Zentrifugationsprozess. ExoArc erreicht eine hohe Plasmareinheit durch die Entfernung von über 99,9 % der Blutzellen und Blutplättchen und ermöglicht so eine schnelle klinische Analyse von zellfreier DNA, RNA und extrazellulären Vesikeln für das Biomarker-Screening. Klinisch validiert diagnostizierte ExoArc nicht-kleinzelligen Lungenkrebs mit einer Sensitivität von 90 % genau und hat potenzielle Anwendungen in der Präzisionsmedizin bei chronischen Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes.

Scientists at Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), have developed a coin-sized chip that can directly isolate blood plasma from a tube of blood in just 30 minutes, which is more convenient and user-friendly as compared to the current gold standard, multi-step centrifugation process.

Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapore) haben einen münzgroßen Chip entwickelt, der Blutplasma in nur 30 Minuten direkt aus einem Blutröhrchen isolieren kann, was im Vergleich zum aktuellen Goldstandard bequemer und benutzerfreundlicher ist , mehrstufiger Zentrifugationsprozess.

Named ExoArc, in just one step, it can achieve high blood plasma purity by removing more than 99.9 per cent of blood cells and platelets precisely and gently.

Mit dem Namen ExoArc kann in nur einem Schritt eine hohe Reinheit des Blutplasmas erreicht werden, indem mehr als 99,9 Prozent der Blutzellen und Blutplättchen präzise und schonend entfernt werden.

This will greatly speed up clinical analysis of the cell-free DNA and RNA molecules, as well as nanoparticles commonly known as extracellular vesicles. These particles are often used to screen for biomarkers that are tell-tale signs specific to certain cancers and diseases.

Dies wird die klinische Analyse der zellfreien DNA- und RNA-Moleküle sowie der Nanopartikel, die allgemein als extrazelluläre Vesikel bekannt sind, erheblich beschleunigen. Diese Partikel werden häufig zur Suche nach Biomarkern verwendet, die verräterische Anzeichen für bestimmte Krebsarten und Krankheiten sind.

Currently, the only way to isolate blood plasma is through using a centrifuge, which spins blood samples at high speeds, separating the blood cells from the plasma.

Derzeit besteht die einzige Möglichkeit, Blutplasma zu isolieren, in der Verwendung einer Zentrifuge, die Blutproben mit hoher Geschwindigkeit schleudert und so die Blutzellen vom Plasma trennt.

However, even after two rounds of spinning in the centrifuge, there will still be some cells and platelets present in the blood plasma which can break down or degrade, releasing additional bio-content, thus leading to unwanted materials that affect the accuracy of diagnostic tests.

Allerdings sind auch nach zwei Zentrifugenrunden immer noch einige Zellen und Blutplättchen im Blutplasma vorhanden, die zerfallen oder abgebaut werden können, wodurch zusätzlicher Bioinhalt freigesetzt wird, was zu unerwünschten Materialien führt, die die Genauigkeit diagnostischer Tests beeinträchtigen .

As a proof-of-concept, the team built a portable prototype device (measuring 30cm x 20cm x 30cm) to house the ExoArc chip (3.5cm x 2.5cm x 0.3cm), which has a large touch-screen interface to adjust settings, as well as internal pumps and pipings for the processing of blood samples and collection of the isolated blood plasma.

Als Proof-of-Concept baute das Team einen tragbaren Prototyp eines Geräts (mit den Maßen 30 cm x 20 cm x 30 cm), in dem der ExoArc-Chip (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm) untergebracht ist, der über eine große Touchscreen-Oberfläche zum Anpassen von Einstellungen verfügt sowie interne Pumpen und Rohrleitungen für die Verarbeitung von Blutproben und die Sammlung des isolierten Blutplasmas.

Together with clinician-scientists from National Cancer Centre Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH), and the Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), the team clinically validated ExoArc by analysing the microRNA profile of blood plasma in healthy people and cancer patients using a biomarker panel and found it was able to diagnose non-small cell lung cancer with a sensitivity of 90 per cent.

Gemeinsam mit klinischen Wissenschaftlern des National Cancer Centre Singapore (NCCS), des Tan Tock Seng Hospital (TTSH) und der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) validierte das Team ExoArc klinisch durch Analyse des microRNA-Profils von Blutplasma bei gesunden Menschen und Krebspatienten mithilfe eines Biomarker-Panels und stellte fest, dass nichtkleinzelliger Lungenkrebs mit einer Sensitivität von 90 Prozent diagnostiziert werden konnte.

As an innovation, ExoArc currently has two patent applications filed through NTUitive, NTU’s innovation and enterprise company and its study findings have been published recently in ACS Nano[1], a journal under the American Chemical Society.

Als Innovation hat ExoArc derzeit zwei Patentanmeldungen über NTUitive, das Innovations- und Unternehmensunternehmen der NTU, eingereicht. Die Studienergebnisse wurden kürzlich in ACS Nano[1], einer Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlicht.

Lead scientist of the study, NTU Associate Professor Hou Han Wei, said the team aimed to find a quicker solution that could replace the centrifuge, while still yielding high-quality plasma for disease screening and research.

Der leitende Wissenschaftler der Studie, außerordentlicher NTU-Professor Hou Han Wei, sagte, das Team habe sich zum Ziel gesetzt, eine schnellere Lösung zu finden, die die Zentrifuge ersetzen und gleichzeitig hochwertiges Plasma für Krankheitsscreening und Forschung liefern könne.

“It has been nearly 160 years since the invention of the first centrifuge and about 50 years since modern high-speed centrifuges became a standard tool in laboratories [2]for preparing blood samples. Despite these advancements, separating complex liquids like blood, which comprises various cell types and a diverse range of biological materials, remains a challenge,” explained Assoc Prof Hou, a biomedical engineer from the School of Mechanical and Aerospace Engineering and Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

„Es ist fast 160 Jahre her, dass die erste Zentrifuge erfunden wurde, und etwa 50 Jahre, seit moderne Hochgeschwindigkeitszentrifugen zu einem Standardwerkzeug in Laboratorien [2] für die Vorbereitung von Blutproben wurden. Trotz dieser Fortschritte bleibt die Trennung komplexer Flüssigkeiten wie Blut, das aus verschiedenen Zelltypen und einer Vielzahl biologischer Materialien besteht, eine Herausforderung“, erklärte Assoc Prof. Hou, ein biomedizinischer Ingenieur von der School of Mechanical and Aerospace Engineering und der Lee Kong Chian School of Medizin (LKCMedizin).

"By leveraging unique flow phenomenon in tiny channels in a chip that is about the size of a dollar coin, we can now efficiently separate small biological materials based on their size without using any physical membrane or filters. We have transformed this breakthrough technology into a device about size of a small desktop printer, featuring disposable plastic chips to prevent cross-contamination in clinical testing."

„Durch die Nutzung eines einzigartigen Strömungsphänomens in winzigen Kanälen in einem Chip, der etwa die Größe einer Dollarmünze hat, können wir jetzt kleine biologische Materialien effizient nach ihrer Größe trennen, ohne physische Membranen oder Filter zu verwenden. Wir haben diese bahnbrechende Technologie in eine umgewandelt Gerät in der Größe eines kleinen Desktop-Druckers, ausgestattet mit Einweg-Kunststoffchips, um Kreuzkontaminationen in klinischen Tests zu verhindern.“

Co-author of the paper, Professor Darren Lim, Senior Consultant in the Division of Medical Oncology at NCCS and Director of Research at the SingHealth Duke-NUS Lung Centre, explained the importance of high-quality blood plasma.

Mitautor des Papiers, Professor Darren Lim, leitender Berater in der Abteilung für medizinische Onkologie am NCCS und Forschungsdirektor am SingHealth Duke-NUS Lung Centre, erläuterte die Bedeutung von hochwertigem Blutplasma.

"Reducing contamination from degraded blood cells is crucial for the accuracy of diagnostic tests. Our study shows that this device allows quicker and more precise clinical diagnoses, significantly decreasing the waiting time for test results, reducing patients’ anxiety and ultimately improving their overall care. This is particularly significant for cancer treatment," said Prof Lim.

„Die Reduzierung der Kontamination durch degradierte Blutzellen ist für die Genauigkeit diagnostischer Tests von entscheidender Bedeutung. Unsere Studie zeigt, dass dieses Gerät schnellere und präzisere klinische Diagnosen ermöglicht, die Wartezeit auf Testergebnisse erheblich verkürzt, die Ängste der Patienten verringert und letztendlich ihre allgemeine Pflege verbessert.“ Dies ist besonders wichtig für die Krebsbehandlung“, sagte Prof. Lim.

In another demonstration of its broad application, the team used ExoArc to study microRNA molecules from blood plasma samples from healthy individuals and those with type 2 diabetes mellitus using quantitative polymerase chain reaction (PCR).            

In einer weiteren Demonstration seiner breiten Anwendung nutzte das Team ExoArc, um microRNA-Moleküle aus Blutplasmaproben von gesunden Personen und Personen mit Typ-2-Diabetes mellitus mithilfe der quantitativen Polymerasekettenreaktion (PCR) zu untersuchen.

From just one tube of blood, they identified 293 different microRNA molecules. The research team also found that the microRNA profile from plasmas and extracellular vesicles from individuals with type 2 diabetes had a different composition as compared to healthy participants. This suggests the potential of ExoArc in helping to isolate and identify disease-related biomarkers.

Aus nur einem Röhrchen Blut identifizierten sie 293 verschiedene microRNA-Moleküle. Das Forschungsteam fand außerdem heraus, dass das microRNA-Profil aus Plasmen und extrazellulären Vesikeln von Personen mit Typ-2-Diabetes eine andere Zusammensetzung aufwies als bei gesunden Teilnehmern. Dies deutet auf das Potenzial von ExoArc bei der Isolierung und Identifizierung krankheitsbedingter Biomarker hin.

Associate Professor Rinkoo Dalan, Senior Consultant specialising in diabetes and endocrinology at Tan Tock Seng Hospital, said the initial results are promising and show the potential of ExoArc being able to help drive precision medicine.

Associate Professor Rinkoo Dalan, leitender Berater mit Spezialisierung auf Diabetes und Endokrinologie am Tan Tock Seng Hospital, sagte, die ersten Ergebnisse seien vielversprechend und zeigten das Potenzial von ExoArc, die Präzisionsmedizin voranzutreiben.

“This technology can help clinicians better predict and manage complications of chronic metabolic conditions like diabetes, by providing more accurate, timely, and individualised information. By detecting specific biomarkers accurately, we can tailor treatments to the unique needs of each patient, potentially improving outcomes and enhancing the quality of care,” said Assoc Prof Dalan, who is also a teaching faculty at LKCmedicine.

„Diese Technologie kann Ärzten dabei helfen, Komplikationen chronischer Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes besser vorherzusagen und zu bewältigen, indem sie genauere, zeitnahere und individuellere Informationen liefert. Durch die genaue Erkennung spezifischer Biomarker können wir Behandlungen auf die individuellen Bedürfnisse jedes Patienten zuschneiden und so möglicherweise die Ergebnisse verbessern und die Qualität der Pflege verbessern“, sagte Assoc Prof. Dalan, der auch Lehrbeauftragter am LKCmedicine ist.

ExoArc vs conventional centrifuge

ExoArc vs. konventionelle Zentrifuge

The current gold-standard method of isolating blood plasma relies on centrifuges, which is not foolproof and is highly dependent on the skill of the technicians who manually extract the plasma after each spin.

Die derzeitige Goldstandardmethode zur Isolierung von Blutplasma basiert auf Zentrifugen, die nicht narrensicher sind und in hohem Maße von der Fähigkeit der Techniker abhängen, die das Plasma nach jedem Zentrifugieren manuell extrahieren.

Even after two centrifugation rounds, which can take up to an hour, residual biological cells can remain in the plasma, potentially contaminating RNA tests and leading to inaccurate results.

Selbst nach zwei Zentrifugationsrunden, die bis zu einer Stunde dauern können, können restliche biologische Zellen im Plasma verbleiben, was möglicherweise RNA-Tests verunreinigt und zu ungenauen Ergebnissen führt.

One of the key reasons is that blood tests are time-sensitive, requiring processing within a day or even a few hours to prevent the rapid degradation of biological material from cells. This breakdown introduces additional DNA, RNA or vesicles into the plasma, which can distort test outcomes.

Einer der Hauptgründe dafür ist, dass Bluttests zeitkritisch sind und eine Verarbeitung innerhalb eines Tages oder sogar einiger Stunden erfordern, um den schnellen Abbau von biologischem Material aus Zellen zu verhindern. Durch diesen Abbau gelangen zusätzliche DNA, RNA oder Vesikel in das Plasma, was die Testergebnisse verfälschen kann.

Laboratories typically wait to accumulate multiple blood samples before using the centrifuge, extending the isolation process by several hours. This delay combined with the extended duration of centrifugation and operator variability, sometimes makes it challenging to compare scientific findings between different research labs.

Normalerweise warten Labore mit der Sammlung mehrerer Blutproben, bevor sie die Zentrifuge verwenden, wodurch sich der Isolierungsprozess um mehrere Stunden verlängert. Diese Verzögerung in Verbindung mit der längeren Zentrifugationsdauer und der Variabilität des Bedienpersonals macht es manchmal schwierig, wissenschaftliche Ergebnisse verschiedener Forschungslabore zu vergleichen.

Unlike the centrifuge machine which usually process multiple tubes of blood samples, ExoArc technology can be scaled up by designing multiple channels to simultaneously isolate blood plasma as and when blood samples are received in clinics or hospitals in a faster and more consistent manner.

Im Gegensatz zu Zentrifugen, die normalerweise mehrere Röhrchen mit Blutproben verarbeiten, kann die ExoArc-Technologie erweitert werden, indem mehrere Kanäle entworfen werden, um gleichzeitig Blutplasma schneller und konsistenter zu isolieren, sobald Blutproben in Kliniken oder Krankenhäusern eingehen.

In future, this process could be automated into a one-step process, which would significantly reduce the time needed to prepare samples for testing and will streamline the diagnostic process, potentially helping to reduce overall cost. By adjusting the size-cutoff, this platform technology can also be used to isolate bacteria or viruses from blood or other biofluids.

Zukünftig könnte dieser Prozess zu einem einstufigen Prozess automatisiert werden, was den Zeitaufwand für die Probenvorbereitung für Tests erheblich reduzieren und den Diagnoseprozess rationalisieren würde, was möglicherweise dazu beitragen würde, die Gesamtkosten zu senken. Durch die Anpassung des Größengrenzwerts kann diese Plattformtechnologie auch zur Isolierung von Bakterien oder Viren aus Blut oder anderen Bioflüssigkeiten verwendet werden.

The development of ExoArc is backed by a Proof-of-Concept and Proof-of-Value grant from the NTUitive Gap Fund, under the NTU Innovation and Entrepreneurship initiative. This initiative seeks to turn research into practical innovations that address societal challenges, like an ageing population, and generate significant economic benefits for Singapore.

Die Entwicklung von ExoArc wird durch einen Proof-of-Concept- und Proof-of-Value-Zuschuss des NTUitive Gap Fund im Rahmen der NTU-Initiative für Innovation und Unternehmertum unterstützt. Diese Initiative zielt darauf ab, Forschung in praktische Innovationen umzuwandeln, die gesellschaftliche Herausforderungen wie eine alternde Bevölkerung angehen und erhebliche wirtschaftliche Vorteile für Singapur schaffen.

The study also included contributions from scientists at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Texas Medical Branch (Galveston).

Die Studie umfasste auch Beiträge von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und der University of Texas Medical Branch (Galveston).

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, Publication Date: February 13, 2024,

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, Veröffentlichungsdatum: 13. Februar 2024,

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

[2] Marshall Scientific. (n.d.). The history of the centrifuge. Retrieved from https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm

[2] Marshall Scientific. (o.J.). Die Geschichte der Zentrifuge. Abgerufen von https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm