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Diagnostik unter Strom Lab-on-a-Chip: Nanoporen-basierte Sensoren bestimmen Biomarker

| Autor/ Redakteur: Prof. Dr. Wolfgang Ensinger* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bei vielen Erkrankungen wie Krebs gilt es, sehr niedrige Konzentrationen von Biomarkern (im Blut) nachzuweisen. Inspiriert von Biologie und Raumfahrt haben Forscher nun ein spezielles Lab-on-a-Chip-System entwickelt, das dies ermöglichen könnte – nicht nur in der medizinischen Diagnostik, sondern auch in Umweltanalytik und Prozesskontrolle.

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche der Polymerfolie mit Nanoporen.
Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche der Polymerfolie mit Nanoporen.
(Bild: TU Darmstadt)

Ein wichtiges Kriterium, anhand dessen sich der Gesundheitszustand eines Menschen im Hinblick auf viele essenzielle medizinische Kriterien eruieren lässt, ist dessen Blutbild. Das hierfür entnommene Blut des Patienten wird vom Arzt an ein externes Analyselabor gesendet, wo meist einige Tage zur Untersuchung benötigt werden. Dies stellt einen gewissen Aufwand dar, wo neben der Wartezeit v.a. der Kostenfaktor eine Rolle spielt.

Zu diesen beiden Aspekten kommt die Problematik der Detektionsgrenzen hinzu. Mit den standardmäßigen Blutanalyseverfahren, wie dem „Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA)“-Verfahren, können nicht alle relevanten Stoffe im Blut in relevanter Konzentration analysiert werden. Dies spielt v.a. eine Rolle in der Diagnostik komplexer Krankheiten, in denen die erfolgreiche Ermittlung der besonders geringen Konzentration einiger Blutwerte wie beispielsweise Tumor- sowie Biomarker aufgrund des frühen Stadiums eine sehr niedrige Detektionsgrenze des Verfahrens voraussetzt.

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Krankheits-assoziierte Biomarker in niedrigen Konzentrationen aufspüren

Eine zuverlässige und schnelle Diagnostik von Krankheiten im Frühstadium kann Leben retten, da eine geeignete Therapie schneller eingeleitet werden kann. Neben der Reduktion der primären Kosten der aufwändigen Analytik, die durch kompaktere, kostengünstigere und gleichzeitig leistungsfähigere Analyseverfahren erreicht werden könnte, könnte zudem eine drastische Reduzierung nachgelagerter Behandlungskosten erreicht werden.

Die Entwicklung eines Analyseverfahrens, welches nicht nur schnell, sondern auch genau Blutwerte bestimmen kann, ist also ein stetes Desiderat der Medizin.

Ein Weg dorthin ist das Lab-on-Chip (LoC), hochleistungsfähige miniaturisierte Geräte, welche mithilfe von Technologien auf der Basis von Mikrofluidik, Mikroelektronik und nanotechnologischer Zutaten realisiert werden kann. LoC-Systeme bieten die Möglichkeit, geringe Blutmengen, welches einen weiteren Vorteil durch die geringere Belastung des Patienten darstellt, in kurzer Zeit zu analysieren.

Ein solches LoC-System besteht aus einem Chip, der die Analysiereinheit trägt und über Kontakte an ein Messgerät angeschlossen bzw. eingesteckt werden kann. Das zu analysierende Medium, wie oben genannt Blut oder aufbereitetes Blut, möglich wären auch andere Körperflüssigkeiten wie Urin, Sputum oder Lymphflüssigkeit, wird auf den Chip aufgegeben, dieser wird in das Messgerät eingesetzt und die Bestimmung wird durchgeführt. Dabei gibt es zwei Ansätze, der Einwegchip oder der regenerierbare Chip. Letzterer wäre kostengünstiger, weil mehrfach verwendbar, hätte aber den Nachteil, dass man ein ggf. aufwändiges Regenerierverfahren einsetzen muss.

Das Kernstück des Chips ist die Komponente, mit welcher das zu bestimmende Biomolekül gemessen wird.

Inspirationen aus Biologie und Raumfahrt

Diese zentrale Komponente ist eine Kunststoff-Folie, die Nanoporen trägt. Dieser Ansatz ist bioinspiriert, da er auf Struktur/Funktionskorrelaten biologischer Nanoporen basiert. Diese wurden für die Funktionsfähigkeit von Zellen in der Evolution über einen sehr großen Zeitraum in Form von Ionen- und Rezeptorkanälen für den Transport von Ionen und Molekülen in die Zelle hinein und aus dieser heraus optimiert. Die darauf basierende Versorgung und Steuerung der Zelle und ihre Kommunikation ist mechanistisch komplex.

Diese Nanoporen, die der Zelle die Fähigkeit verleihen, z.B. Biomoleküle oder Ionen zu erkennen und diese selektiv passieren zu lassen, stellen hocheffiziente Nanosensoren dar. Sie verfügen über eine Leistungsfähigkeit, wie man sie technologisch bisher nicht erreichen kann. Diese hochselektiven und sensitiven biologischen Nanoporen möchte man analytisch, sensorisch und diagnostisch nutzen, aber letztendlich stößt man bei einer technologischen Anwendung an eine Grenze: Da die Nanoporen evolutionär für zelluläre Systeme entwickelt wurden, funktionieren sie nur in Lipidmembranen, womit sie aufgrund deren Fragilität nicht ausreichend robust für technische Anwendungen sind. Man möchte konsequenterweise Nanoporen aus einem robusten Material herstellen und bioinspiriert funktionalisieren, nämlich aus Kunststoffen, die längere Zeit bis zu einem Einsatz, z.B. für die Diagnose in einer Klinik, gelagert werden können.

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