Thermofluorimetric, magnetic and lateral flow aptamer based assays for point of care applications

Diagnostische Tests werden üblicherweise in zentralen Labors durchgeführt. Sie stützen sich auf hochentwickelte Analysemethoden, die teure und sperrige Geräte sowie hochqualifiziertes Personal erfordern. Andererseits bietet der Point-of-Care eine Alternative für eine schnelle, einfache und erschwingliche Diagnostik und ermöglicht so eine frühzeitige medizinische Intervention und ein besseres klinisches Ergebnis. Bislang hat das Point-of-Care-System an der Front der kleinen Moleküle versagt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die meisten Point-of-Care-Assays auf Immunoassays basieren. Die Quantifizierung von kleinen Molekülen auf der Basis von Antikörpern bleibt aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften und der Nichtverfügbarkeit verschiedener Bindungsepitope eine Herausforderung. Dies beschränkt die verfügbaren Formate auf kompetitive Assays mit den damit verbundenen Nachteilen, z.B. umgekehrt proportionales Signal und Schwierigkeit der Markierung von Zielmolekülen. Im Gegensatz dazu bieten Aptamere alternative Detektionsformate, die die Gestaltung von Point-of-Care für kleine Moleküle ermöglichen könnten. Dennoch fehlte den bisherigen Ansätzen die erforderliche Einfachheit, Sensitivität, Multiplexing oder Hochdurchsatz. Obwohl die ersten beiden als Grundvoraussetzungen betrachtet werden, sind sie voneinander abhängig und in der Regel muss bei beiden ein Kompromiss eingegangen werden. Darauf aufbauend zielte diese Arbeit darauf ab, diese Engpässe durch verschiedene Strategien anzugehen. Im ersten Projekt wurden Aptamere mit einem qPCR-Instrument für ein Bench-Top-Hochdurchsatzverfahren für kleine Moleküle kombiniert. Durch die Messung des Schmelzpunktes der Aptamer-Beacons war eine Quantifizierung von Ethanolamin möglich. Im Gegensatz zum ELISA und anderen antikörperbasierten Ansätzen gibt es keine Wasch- oder Blockierungsschritte. Dies ist der erste Bericht über die Quantifizierung von kleinen Molekülen auf der Grundlage der Messung der Aptamer-Schmelztemperaturen. Die Bindung an das Target führt zu einer Stabilisierung der Struktur und einer entsprechenden Erhöhung der Schmelztemperatur. Obwohl der Assay einen hohen Durchsatz und eine hohe Empfindlichkeit bietet, ist er im Vergleich zu handgehaltenen Point-of-Care (POC)-Assays immer noch relativ komplex. Daher konzentrierte sich mein zweites Projekt auf einen handgehaltenen POC, für den keine Auslesegeräte erforderlich sind. Im zweiten Projekt lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung einer einfachen, aber empfindlichen Plattform für kleine Moleküle (z.B. Ethanolamin) in einem ressourcenarmen Umfeld. Zu diesem Zweck wurden magnetische Partikel mit Ethanolamin-bindenden Aptameren funktionalisiert und in einer Kunststoff-Kapillar-Plattform verwendet. Der Assay basierte auf dem Strangverdrängungsformat und auf der Kapillaroberfläche wurden 3 Schichten aufgebaut. Zuerst wurden die Kapillaren mit einer Schicht aus verankernden Oligonukleotiden beschichtet. An diese Schicht wurden Aptamer-Magnetpartikel hybridisiert, wodurch die zweite Schicht entstand. Um freie (d.h. nicht hybridisierte) Aptamere zu vermeiden, wurden zusätzlich Oligonukleotid-magnetische Partikel an die von der Kapillaroberfläche abgewandten Aptamere hybridisiert. Wenn eine ethanolaminhaltige Probe eingeführt wird, werden die magnetischen Partikel verdrängt und mit einem Permanentmagneten aufgefangen. Dies führte zu einem visuell erkennbaren magnetischen Fleck. Durch die Kombination von Einfachheit und visueller Detektion ist dieser Assay ideal für den Einsatz bei geringen Ressourcen geeignet. Obwohl die ersten beiden Plattformen theoretisch in der Lage sind, multiplexen zu können, bleibt dies experimentell herausfordernd. Für die auf dem qPCR-Instrument basierende Methode benötigt man Aptamere mit signifikant unterschiedlichen Schmelztemperaturen. Alternativ könnte indirektes Multiplexing durch die Verwendung von kurzen Beacons erreicht werden, die um die Zielbindungsstelle konkurrieren. Dies erfordert jedoch eine vollständige Charakterisierung der Bindungsstruktur des Aptamers. Auf der anderen Seite wird die Kapillarplattform eine Farbkodierung der magnetischen Partikel benötigen. Dies ist bei den derzeitigen Technologien experimentell eine Herausforderung. Auf der Grundlage des vorhergehenden, zielte das dritte Projekt auf die Entwicklung eines POC mit Multiplexing-Fähigkeiten ab. Dementsprechend wurde ein Duplex-LFA entworfen, um Interleukin 6 (IL-6) und Thrombin gleichzeitig zu quantifizieren. Die Plattform bestand aus rot-emittierendem QD-Thrombin-bindendem Aptamer und grün emittierendem QD-IL-6-bindendem Antikörper, kombiniert mit einem Lateral Flow mit einer Streptavidin-Testlinie und Anti-Maus-Antikörper als Kontrolllinie. Der Ausleseaufbau basiert auf einem Smartphone, kombiniert mit einer 3D-gedruckten dunklen Box mit eingebautem UV-Licht. Dies ermöglichte den Nachweis beider Analyten auf derselben Testlinie, ohne dass physikalische Emissionsfilter erforderlich waren.Diagnostic assays are commonly performed in central laboratories. They rely on sophisticated analytical methods requiring expensive and bulky equipment as well as highly trained personnel. On the other hand, point of care offers an alternative for fast turnaround, simple and affordable diagnostics, thus enabling early medical intervention and a better clinical outcome. So far, point of care has failed to deliver on the small molecules front. This is due to the fact that most point of care assays are based on immunoassays. Based on antibodies, the quantification of small molecules remains a challenge due to their intrinsic properties and the unavailability of different binding epitopes. This limits available formats to competitive assay with its associated drawbacks e.g. inversely proportional signal and difficulty of labeling target molecules. In contrast, aptamers offer alternative detection formats that could enable the design of point of care for small molecules. Nevertheless, previous approaches lacked the required simplicity, sensitivity, multiplexing, or high-throughput. Although the first two are considered basic requirements, they are dependent and usually, a compromise has to be made on either. Building on this, this work aimed to tackle these bottlenecks through different strategies. In the first project, aptamers were combined with a qPCR instrument for a bench-top high-throughput method for small molecules. Through measuring the melting point of the aptamer beacons, a quantification of ethanolamine was possible. Unlike ELISA and other antibody-based approaches, there are no washing or blocking steps. This is the first report on the quantification of small molecules based on measuring aptamer melting temperatures. Binding to the target results in a structure stabilization and a corresponding increase in the melting temperature. While the assay offers a high-throughput and sensitivity, it still is relatively complex in comparison to hand-held point of care (POC) assays. Therefore, my second project was focused on a hand-held POC with no readout devices necessary. In the second project, the focus was to design a simple yet sensitive platform for small molecules (e.g. ethanolamine) in a low resource setting. To this aim, magnetic particles were functionalized with ethanolamine binding aptamers and used in a plastic capillary platform. The assay was based on the strand displacement format and 3 layers were built on the capillary surface. Firstly, the capillaries were coated with a layer of anchoring oligonucleotides. To this layer aptamer-magnetic particles were hybridized resulting in the second layer. Additionally, to avoid free aptamers (i.e. not hybridized), oligonucleotide-magnetic particles were hybridized to the aptamers facing away from the capillary surface. When an ethanolamine containing sample is introduced, the magnetic particles are displaced and collected using a permanent magnet. This resulted in a visually detectable magnetic spot. The combination of simplicity and visual detection make this assay ideal for low resource settings. While the first two platforms are theoretically capable of multiplexing, this remains experimentally challenging. For the qPCR instrument based method, one will need aptamers with significantly different melting temperatures. Alternatively, indirect multiplexing could be achieved through the use of short beacons competing for the target binding site. However, this requires full characterization of the aptamer's binding structure. On the other hand, the capillary platform will need color coding of the magnetic particles. This is experimentally challenging giving the present technologies. Based on the previous, the third project aimed at developing a POC with multiplexing capabilities. Accordingly, a duplex LFA was designed to quantify interleukin 6 (IL-6) and thrombin simultaneously. The platform consisted of red-emitting QD-thrombin binding aptamer and green-emitting QD-IL-6 binding antibody, combined with a lateral flow with a streptavidin test line and anti-mouse antibody as a control line. The readout setup based on a smartphone combined with a 3D-printed dark box with a built-in UV light. This enabled detecting both analytes on the same test line without the need for physical emission filters

Nutzerorientierte Evaluation zweier altersgerechter Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living-Roboter“) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen: MOBOT-Rollator und I-SUPPORT-Duschroboter

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die nutzerorientierte Evaluation zweier Prototypen für altersgerechte Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living“ [AAL]-Roboter) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen. Bei den Prototypen handelt es sich dabei um (1) einen robotergestützten Rollator zur Unterstützung der Mobilität (MOBOT) und (2) einen Assistenzroboter zur Unterstützung von Duschaktivitäten (I-SUPPORT). Manuskript I dokumentiert eine systematische Literaturanalyse des methodischen Vorgehens bisheriger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive. Die meisten Studien zeigen erhebliche methodische Mängel, wie unzureichende Stichprobengrößen/-beschreibungen; Teilnehmer nicht repräsentativ für die Nutzergruppe der robotergestützten Rollatoren; keine geeigneten, standardisierten und validierten Assessmentmethoden und/oder keine Inferenzstatistik. Ein generisches methodisches Vorgehen für die Evaluation robotergestützter Rollatoren konnte nicht identifiziert werden. Für die Konzeption und Durchführung zukünftiger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren, aber auch anderer AAL-Systeme werden in Manuskript I abschließend Handlungsempfehlungen formuliert. Manuskript II analysiert die Untersuchungsergebnisse der in Manuskript I identifizierten Studien. Es zeigen sich sehr heterogene Ergebnisse hinsichtlich des Mehrwerts der innovativen Assistenzfunktionen von robotergestützten Rollatoren. Im Allgemeinen werden sie jedoch als positiv von den Nutzern wahrgenommen. Die große Heterogenität und methodischen Mängel der Studien schränken die Interpretierbarkeit ihre Untersuchungsergebnisse stark ein. Insgesamt verdeutlicht Manuskript II, dass die Evidenz zur Effektivität und positiven Wahrnehmung robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive noch unzureichend ist. Basierend auf den Erkenntnissen und Handlungsempfehlungen der systematischen Literaturanalysen aus Manuskript I und II wurden die nutzerorientierten Evaluationsstudien des MOBOT-Rollators konzipiert und durchgeführt (Manuskript III-VI). Manuskript III überprüft die Effektivität des in den MOBOT-Rollator integrierten Navigationssystems bei potentiellen Nutzern (= ältere Personen mit Gangstörungen bzw. Rollator als Gehhilfe im Alltag). Es liefert erstmals einen statistischen Nachweis dafür, dass eine solche Assistenzfunktion effektiv ist, um die Navigationsleistung der Nutzer (z. B. geringer Stoppzeit, kürzere Wegstrecke) – insbesondere derjenigen mit kognitiven Einschränkungen – in einem realitätsnahen Anwendungsszenario zu verbessern. Manuskript IV untersucht die konkurrente Validität des MOBOT-integrierten Ganganalysesystems bei potentiellen Nutzern. Im Vergleich zu einem etablierten Referenzstandard (GAITRite®-System) zeigt es eine hohe konkurrente Validität für die Erfassung zeitlicher, nicht jedoch raumbezogener Gangparameter. Diese können zwar ebenfalls mit hoher Konsistenz gemessen werden, aber lediglich mit einer begrenzten absoluten Genauigkeit. Manuskript V umfasst die nutzerorientierte Evaluation der im MOBOT-Rollator integrierten Assistenzfunktion zur Hindernisvermeidung und belegt erstmals die Effektivität einer solchen Funktionen bei potentiellen Nutzern. Unter Verwendung des für den MOBOT-Rollator neu entwickelten technischen Ansatzes für die Hindernisvermeidung zeigten die Teilnehmer signifikante Verbesserungen bei der Bewältigung eines Hindernisparcours (weniger Kollisionen und geringere Annäherungsgeschwindigkeit an die Hindernisse). Manuskript VI dokumentiert die Effektivität und Zufriedenheit mit der Aufstehhilfe des MOBOT-Rollators von potentiellen Nutzern. Es wird gezeigt, dass die Erfolgsrate für den Sitzen-Stehen-Transfer älterer Personen mit motorischen Einschränkungen durch die Aufstehhilfe signifikant verbessert werden kann. Die Ergebnisse belegen zudem eine hohe Nutzerzufriedenheit mit dieser Assistenzfunktion, insbesondere bei Personen mit höherem Body-Mass-Index. Manuskript VII untersucht die Mensch-Roboter-Interaktion zwischen dem I-SUPPORT-Duschroboter und seiner potentiellen Nutzer (= ältere Personen mit Problemen bei Baden/Duschen) und überprüft deren Effektivität sowie Zufriedenheit mit drei unterschiedlich autonomen Betriebsmodi. Die Studienergebnisse dokumentieren, dass sich mit zunehmender Kontrolle des Nutzers (= abnehmende Autonomie des Duschroboters) nicht nur die Effektivität für das Abduschen eines definierten Körperbereichs verringert, sondern auch die Nutzerzufriedenheit sinkt. Manuskript VIII umfasst die Evaluation eines spezifischen Nutzertrainings auf die gestenbasierte Mensch-Roboter-Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter. Es wird gezeigt, dass ein solches Training die Ausführung der Gesten potentieller Nutzer und sowie die Gestenerkennungsrate des Duschroboters signifikant verbessern, was insgesamt auf eine optimierte Mensch-Roboter-Interaktion in Folge des Trainings schließen lässt. Teilnehmer mit der schlechtesten Ausgangsleistung in der Ausführung der Gesten und mit der größten Angst vor Technologien profitierten am meisten vom Nutzertraining. Insgesamt belegen die Studienergebnisse zur nutzerorientierten Evaluation des MOBOT-Rollators die Effektivität und Gültigkeit seiner innovativen Teilfunktionen. Sie weisen auf ein hohes Potential der Assistenzfunktionen (Navigationssystem, Hindernisvermeidung, Aufstehhilfe) zur Verbesserung der Mobilität älterer Menschen mit motorischen Einschränkungen hin. Vor dem Hintergrund der methodischen Mängel und unzureichenden evidenzbasierten Datenlage hierzu, liefert diese Dissertationsschrift erstmals statistische Belege für den Mehrwert solcher Teilfunktionen bei potentiellen Nutzern und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Schließung der bisherigen Forschungslücke hinsichtlich des nutzerorientierten Wirksamkeits- und Gültigkeitsnachweises robotergestützter Rollatoren und ihrer innovativen Teilfunktionen. Die Ergebnisse der Studien des I-SUPPORT-Duschroboters liefern wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Mensch-Roboter-Interaktion im höheren Alter. Sie zeigen, dass bei älteren Nutzern für eine effektive Interaktion Betriebsmodi mit einem hohen Maß an Autonomie des Duschroboters notwendig sind. Trotz ihrer eingeschränkten Kontrolle über den Roboter, waren die Nutzer mit dem autonomsten Betriebsmodus sogar am zufriedensten. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse hinsichtlich der gestenbasierten Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter, dass zukünftige Entwicklungen von altersgerechten Assistenzrobotern mit gestenbasierter Interaktion nicht nur die Verbesserungen technischer Aspekte, sondern auch die Sicherstellung und Verbesserungen der Qualität der Nutzergesten für die Mensch-Roboter-Interaktion durch geeignete Trainings- oder Schulungsmaßnahmen berücksichtigen sollten. Das vorgestellte Nutzertraining könnte hierfür ein mögliches Modell darstellen

Ageing and Technology: Perspectives from the Social Sciences

The booming increase of the senior population has become a social phenomenon and a challenge to our societies, and technological advances have undoubtedly contributed to improve the lives of elderly citizens in numerous aspects. In current debates on technology, however, the "human factor" is often largely ignored. The ageing individual is rather seen as a malfunctioning machine whose deficiencies must be diagnosed or as a set of limitations to be overcome by means of technological devices. This volume aims at focusing on the perspective of human beings deriving from the development and use of technology: this change of perspective - taking the human being and not technology first - may help us to become more sensitive to the ambivalences involved in the interaction between humans and technology, as well as to adapt technologies to the people that created the need for its existence, thus contributing to improve the quality of life of senior citizens

Ageing and Technology

The booming increase of the senior population has become a social phenomenon and a challenge to our societies, and technological advances have undoubtedly contributed to improve the lives of elderly citizens in numerous aspects. In current debates on technology, however, the »human factor« is often largely ignored. The ageing individual is rather seen as a malfunctioning machine whose deficiencies must be diagnosed or as a set of limitations to be overcome by means of technological devices. This volume aims at focusing on the perspective of human beings deriving from the development and use of technology: this change of perspective – taking the human being and not technology first – may help us to become more sensitive to the ambivalences involved in the interaction between humans and technology, as well as to adapt technologies to the people that created the need for its existence, thus contributing to improve the quality of life of senior citizens

SInCom 2015

2nd Baden-Württemberg Center of Applied Research Symposium on Information and Communication Systems, SInCom 2015, 13. November 2015 in Konstan

Volume 2 – Conference: Wednesday, March 9

10. Internationales Fluidtechnisches Kolloquium:Group 1 | 2: Novel System Structures Group 3 | 5: Pumps Group 4: Thermal Behaviour Group 6: Industrial Hydraulic

Battery storage systems as balancing option in intermittent renewable energy systems - A transdisciplinary approach under the frame of Constructive Technology Assessment

Different battery storage technologies are considered as important flexibility option in the face of increasing shares of renewables in the grid. A challenge is to support decision-making by providing a broader perspective on battery technology development, choice, and implementation. The tailored approach in the frame of Constructive Technology Assessment (CTA) in combination with system analysis allows it to explore actor visions and expectations about battery storage and to use this information to provide quantitative information about the consequences of these. Research results combine the perspectives of technology and non-technology related actors (enactors and selectors) to create new and broader knowledge to provide “better” technology. Major implications identified for battery storage are missing business models, uncertain regulations, and doubts about their techno-economic viability. A highlight is a proof that expectations about technology characteristics in orientation to sustainability criteria are settled within concentric perspectives by using the Analytic-Hierarchy-Process (AHP). Enactors focus on economic and technological criteria which reflect the concentric bias of this group. In contrast, selectors perceive environmental and social criteria as more important. The consensus among actors regarding criteria importance is not existent to moderate which indicates that more research is required here. System analysis is used to quantify actor preferences obtained through the AHP. Li-Ion-batteries (LIB), lead-acid-batteries (VRLA), high-temperature-batteries (NaNiCl and NaS), and Vanadium-redox-flowbatteries (VRFB) are evaluated through e.g. life cycle assessment and costing for four different application fields (decentralized storage, wind energy support, primary regulation and energy-time-shift (ETS-includes compressed-air-energy-storage (CAES) and pumped-hydro-storage (PHS)). Preliminary rankings indicate that most LIBs can be recommended for all application areas, wherein decentralized storage is considered to offer the highest potentials for battery storage. VRLA and NaS achieve rather low scores whereas ranking of VRFB is highly dependent on the considered use case. PHS and CAES dominate all assessed energy storage technologies in the ETS application case

Proceedings - 32. Workshop Computational Intelligence: Berlin, 1. - 2. Dezember 2022

Dieser Tagungsband enthält die Beiträge des 32. Workshops „Computational Intelligence“ des Fachausschusses 5.14 der VDI/VDE-Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) der vom 1.12. – 2.12.2022 in Berlin stattfand. Die Schwerpunkte sind Methoden, Anwendungen und Tools für - Fuzzy-Systeme - Deep Learning - Machine Learning sowie der Methodenvergleich anhand von industriellen und Benchmark-Problemen

Proceedings - 32. Workshop Computational Intelligence: Berlin, 1. - 2. Dezember 2022

This conference volume contains the contributions of the 32nd workshop "Computational Intelligence" of the Technical Committee 5.14 of the VDI/VDE Society for Measurement and Automation Technology (GMA) of 1.12. – 2.12.2022 in Berlin. The focus is on methods, applications and tools for