Mikrofluidsegmenttechnik für die umwelttoxikologische UntersuchungEinsatz eines Mikrofluidsystems für umwelttoxikologische ScreeningsDie weltweite Belastung der Umwelt mit Schadstoffen stellt ein Problem für Ökosysteme als auch für den Menschen selbst dar. Trotz zahlreicher Untersuchungen zur Umweltwirkung von Chemikalien, ist das Wissen hinsichtlich Risikoabschätzung und Risikobeurteilung bei mehr als 70% nicht ausreichend. In jüngster Zeit rückt die Diskussion um die Kombinationswirkungen immer mehr in den Vordergrund, da sie die realen Verhältnisse der Schadstoffexposition wiederspiegeln. Problematisch für die praktische Lösung des Problems bleibt die Größe des mehrdimensionalen Parameterfeldes, dessen Komplexität wissenschaftliche Untersuchungen im Rahmen der konventionellen Laborpraxis komplizieren. Hier könnte der Einsatz von Mikrofluidsystemen entscheidend zur Problemlösung beitragen.Gegenstand der angestrebten Promotionsarbeit ist die Entwicklung eines Laborsystems unter Anwendung der Segmented-Flow-Methode, welche es gestattet, synergistische Wirkungen von potentiellen Umweltschadstoffen nicht nur für prokaryotische und eukaryotische Einzeller sondern auch für eukaryotische Mehrzeller zu charakterisieren. Durch die Entwicklung semiautomatischer Screeningabläufe soll eine erste Einschätzung des Gefährdungspotentials getroffen werden. Ferner soll es möglich sein, Schlussfolgerungen für Parameterkombinationen als Modelle für komplexere Umweltverhältnisse treffen zu können. Dafür soll das Potential der Mikroreaktionstechnik genutzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen ökotoxikologischen Methoden liegen die Vorteile der in dieser Promotionsarbeit eingesetzten Methode in der sicheren Handhabung, dem geringem Energie- und Volumeneinsatz, dem minimalen Einsatz an Chemikalien und der zeit- und kostengünstigen Erzeugung einer großen Anzahl an sehr variablen Reaktionsräumen in relativ kurzer Zeit. Die Erzeugung von sogenannten Mikrofluidsegmenten (Reaktionsräume) erfolgt in einem Segmentierungsmodul durch Injektion der Probenflüssigkeiten in eine inerte Trägerflüssigkeit (z.B. Perfluoralkane). Aufgrund der nicht Mischbarkeit der Probenströme kommt es zur Ausbildung von einzelnen voneinander abgetrennten Reaktionsräumen, welche den Organismus und den zu untersuchenden Schadstoff oder die Schadstoffkombination enthalten. Die Flussraten der Probenströme werden über ein ansteuerbares Spritzenpumpensystem koordiniert. Nach der Segmentierung werden die einzelnen Mikrofluidsegmente analysiert. Dafür werden je nach Untersuchungsobjekt photometrische und fluorimetrische Detektionseinheiten sowie die Bildanalyse eingesetzt. Im ersten Jahr der Promotionsarbeit wurde sich vorrangig mit der Frage beschäftigt, welche Organismen sich überhaupt ins Mikrofluidsystem einbringen und kultivieren lassen. Dabei wurden Versuche mit Vielzellern (Fadenwurm C. elegans, Zebrafisch Danio rerio- s.Photo), Zellkulturen (Darmbakterium Escherichia coli und Hefe Saccharomyces cerevisiae) und Humanzellen (HeLa-Zellen) durchgeführt. Weiterhin wurden erste Untersuchungen zur Endpunktbestimmung (Wirkkriterium) durchgeführt. Im zweiten Jahr konnte das Mikrofluidsystem an die unterschiedlichen Versuchsbedingungen adaptiert und unterschiedliche Analysemethoden integriert und untersucht werden. In dieser Zeit wurden bereits erste toxikologische Screenings anhand der Modellorganismen Danio rerio und E. coli durchgeführt. Neben der Bildanalyse als Analysemethode der unterschiedlichen Entwicklungsstadien des Zebrafisch Phenotyps wurden für die Screenings mit dem Darmbakterium photometrische und fluorimetrische Analyseeinheiten eingesetzt. Damit war es möglich die Effekte verschiedener Wirkstoffe auf die metabolischen Aktivität der Bakterienkulturen über die Indikatoren Wachstum und pH-Wert zu untersuchen. Neben dem Screening von Einzelsubstanzen wurden bereits erste einfache Kombinationswirkungen von Wirkstoffen untersucht. Bereits in den ersten zwei Jahren der Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass der Einsatz der Segmented-Flow-Methode vielversprechende Resultate für die Realisierung von Multiparameter Screenings lieferte. Damit wurde die Basis für zukünftige High Throughput und High Content Screenings gelegt.