Neuer Ansatz zum Nachweis von Krankheitserregern

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Medizin Doc Redaktion, Veröffentlicht am: 12.02.2024, Lesezeit: 6 Minuten

Im Gesundheitswesen ist die Möglichkeit, Krankheiten in einem frühen Stadium zu erkennen oder sogar ihren Ausbruch vorherzusagen, sowohl für Ärzte als auch für Patienten von enormem Nutzen. Dr. Larysa Baraban, Leiterin eines Forschungsteams am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), hat einen neuen Ansatz zur Erkennung von Krankheitserregern entwickelt, der schnell, kostengünstig und hocheffizient ist.

Nachweis von Krankheitserregern mit Feldeffekttransistoren

Durch den Einsatz intelligenter, miniaturisierter Biosensorgeräte und Nanomaterialien will das Team Biomoleküle, Zellen und biochemische Reaktionen als Krankheitsmarker bestimmen. Ihre jüngste Veröffentlichung in der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics beschreibt die Entwicklung eines tragbaren, handtellergroßen Testsystems, das bis zu zweiunddreißig Analysen gleichzeitig an einer einzigen Probe durchführen kann.

Für den Nachweis von Krankheitserregern in Körperflüssigkeiten gibt es verschiedene Möglichkeiten und Mechanismen. Eine Option, die Dr. Baraban am HZDR-Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung untersucht, ist der Einsatz von Feldeffekttransistoren (FETs) aus der Elektronik. Das Funktionsprinzip ist einfach: Ein definierter elektrischer Strom fließt von Punkt A nach Punkt B, und dieser Strom lässt sich durch das elektrische Potential an der Oberfläche eines Gates, das wie ein präzises, stufenloses Ventil funktioniert, regulieren.

Bindung von Biomolekülen und Stromänderungen

Krankheitsrelevante Biomoleküle binden an die Gate-Oberfläche, was zu einer Änderung des elektrischen Potenzials und folglich des Stroms führt. Wenn sich der Strom nicht signifikant ändert, bedeutet dies, dass keine Biomoleküle an die Sensoroberfläche gebunden haben. Eine Änderung des Stroms bedeutet jedoch, dass sich krankheitsrelevante Moleküle auf der Sensoroberfläche befinden. Diese Biosensoren können so konzipiert werden, dass sie spezifisch verschiedene Biomoleküle erkennen, da verschiedene Krankheitserreger unterschiedliche elektrische Potenziale und damit auch unterschiedliche Ströme verursachen. Zum Beispiel verursachen Krebszellen einen anderen Strom als ein Grippevirus.

Entwicklung von wiederverwendbaren Transistoren

Ein großer Nachteil herkömmlicher elektronischer Biosensoren auf FET-Basis besteht darin, dass die Testflächen nicht wiederverwendbar sind, so dass der gesamte Transistor nach jeder Probenahme entsorgt werden muss. Dieser Prozess ist sowohl teuer als auch umweltschädlich, da die in den Transistoren enthaltenen Halbleitermaterialien sehr teuer sind. Um dieses Problem zu lösen, gingen Dr. Baraban und ihre Abteilung für Nano-Mikrosysteme für Biowissenschaften einen Schritt weiter und versuchten, die Potenzialänderungen nicht direkt an der Oberfläche des Transistors zu messen, sondern an einer separaten Elektrode, die mit dem Gate des Transistors verbunden ist. Dieser Ansatz ermöglicht es, den Transistor mehrfach zu verwenden, wobei das Gate als „erweitertes Gate“ oder als Erweiterung des Testsystems fungiert.

Simultananalyse mit erweiterten Gates

Das Team begnügte sich nicht mit der Entwicklung wiederverwendbarer Transistoren, sondern wollte auch ein System schaffen, das mehrere Analysen gleichzeitig durchführen kann. Durch die Entwicklung erweiterter Gates mit zweiunddreißig Testpads haben sie dieses Ziel erreicht. Dr. Baraban erklärt: „Das bedeutet, dass eine Probe gleichzeitig auf jedem der Pads auf einen anderen Erreger getestet werden kann.“ Dieser Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für einen effizienten und schnellen Erregernachweis.

Interleukin-6 als Marker

Um das Funktionsprinzip zu demonstrieren, nutzten die Wissenschaftler zunächst Interleukin-6 (IL-6), ein Molekül, das für die Kommunikation zwischen Immunzellen verantwortlich ist. Die Konzentration von IL-6 ändert sich bei verschiedenen Krankheiten und in verschiedenen Stadien einer Krankheit, was es zu einem hervorragenden Marker macht. Ob es sich um eine einfache Erkältung oder um Krebs handelt, die Konzentration von IL-6 kann wertvolle Einblicke in das Krankheitsbild geben. Durch den Nachweis der IL-6-Konzentration kann das neue Testsystem bei der Diagnose und Überwachung verschiedener Krankheiten helfen.

Verbesserte Empfindlichkeit mit Nanopartikeln

Um die Empfindlichkeit der Methode zum Nachweis von Krankheitserregern weiter zu erhöhen, hat das Team von Dr. Baraban Nanostrukturen in ihren Ansatz integriert. Nanopartikel spielen eine entscheidende Rolle bei der Konzentration oder Lokalisierung der Ladung, wodurch das Spannungssignal verstärkt wird. „Die Empfindlichkeit der Tests ist wesentlich höher, wenn wir mit Nanopartikeln arbeiten“, erklärt Dr. Baraban. Da fertige Nanopartikel-Kits auf dem Markt erhältlich sind, wird diese Methode noch zugänglicher und benutzerfreundlicher. Derzeit arbeitet das Team mit Gold-Nanopartikeln und plant, in Zukunft auch andere Nanopartikel zu verwenden.

Ein funktionelles und handliches Testsystem

Als Ergebnis ihrer Forschung ist es Dr. Baraban und ihrem Team gelungen, ein funktionelles und handliches Testsystem zu entwickeln, das aus einem Transistor und zweiunddreißig Testpads besteht. Dieses System ermöglicht den Nachweis verschiedener Krankheitserreger in sehr kurzer Zeit. In Zukunft könnte dieses Testsystem eingesetzt werden, um den Verlauf von Immuntherapien bei Krebspatienten zu überwachen oder die Schwere und den Verlauf von Viruserkrankungen wie Grippe oder COVID-19 bereits im Vorfeld vorherzusagen. Im Vergleich zu bestehenden Technologien ist dieses neue System nicht nur kostengünstiger, sondern auch schneller, was es zu einer attraktiven Option für Fachleute im Gesundheitswesen macht.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung eines schnellen und kostengünstigen Systems zum Nachweis von Krankheitserregern durch Dr. Larysa Baraban und ihr Team am HZDR stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Technologie zum Nachweis von Krankheitserregern dar. Durch den Einsatz von intelligenten Biosensoren, Nanomaterialien und Feldeffekttransistoren haben sie ein tragbares und effizientes Testsystem entwickelt, das mehrere Krankheitserreger gleichzeitig analysieren kann. Die Verwendung von erweiterten Gates und wiederverwendbaren Transistoren trägt zur Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz des Systems bei. Darüber hinaus erhöht die Einbindung von Nanopartikeln die Empfindlichkeit der Tests und macht sie noch zuverlässiger.

Dieser neue Ansatz hat das Potenzial, die Erkennung und Überwachung von Krankheiten zu revolutionieren. Es kann zur Frühdiagnose verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs, beitragen und wertvolle Erkenntnisse über den Verlauf und den Schweregrad von Virusinfektionen liefern. Dank seiner Schnelligkeit und Kosteneffizienz verspricht dieses System, die Ergebnisse für die Patienten zu verbessern und die Kosten im Gesundheitswesen zu senken.

Quelle

  1. Željko Janićijević, Trang-Anh Nguyen-Le, Ahmed Alsadig, Isli Cela, Rugilė Žilėnaite, Taufhik Hossain Tonmoy, Manja Kubeil, Michael Bachmann, Larysa Baraban. Methods gold standard in clinic millifluidics multiplexed extended gate field-effect transistor biosensor with gold nanoantennae as signal amplifiers. Biosensors and Bioelectronics, 2023; 241: 115701 DOI: 10.1016/j.bios.2023.115701

ddp


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