Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Krankheitserreger in Körperflüssigkeiten nachzuweisen. Eine dieser Möglichkeiten sind Feldeffekttransistoren (FET) aus der Elektronik, an der Dr. Larysa Baraban am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit ihrem Team forscht. Sie entwickeln intelligente, miniaturisierte Biosensorgeräte und -systeme mithilfe der Verwendung von Nanomaterialien, um Biommoleküle und Zellen bzw. biochemische Reaktionen als Marker von Krankheiten zu bestimmen.
Unterschiedliche Krankheitserreger - unterschiedliche Stromstärken
Das zugrundeliegende Prinzip der FET ist simpel: Ein definierter elektrischer Strom fließt von A nach B. Das elektrische Potential an der Oberfläche eines Gates kann diesen Strom regulieren. Bindet sich ein krankheitsrelevantes Biomolekül an diese Gate-Oberfläche, verändert es das elektrische Potential und somit auch die Stromstärke. Verändert sich die Stromstärke nicht, haben sich auch keine Krankheitserreger an die Sensoroberfläche gebunden.
Eine Veränderung der Stromstärke bedeutet somit die Bindung eines krankheitserregenden Moleküls an die Gate-Oberfläche. Die Biosensoren der Gate-Oberfläche können so gestaltet werden, dass sie spezifisch verschiedene Biomoleküle nachweisen. Dadurch gilt, unterschiedliche Krankheitserreger rufen unterschiedliche Stromstärken hervor. Eine Krebszelle verursacht somit eine andere Stromstärke als ein Grippevirus.
Wiederverwertbare Transistoren
Der Nachteil hieran ist leider, dass diese Transistoren nicht wiederverwertbar sind. Zudem ist ihre Herstellung kostenintensiv und umweltschädlich aufgrund der verwendeten Halbleitermaterialien. Daher untersuchte Baraban mit ihrer Abteilung Nano-Mikrosysteme für Biowissenschaften, ob die Potentialänderung auch an einer separaten Elektrode gemessen werden könne anstatt direkt an der Gate-Oberfläche. Diese Elektrode ist mit der Oberfläche des Transistors verbunden und ermöglicht dadurch das mehrmalige Nutzen des Transistors. „Wir separieren das Gate und sprechen von einem ‚Extended Gate’ – also einer Erweiterung des Testsystems“, erläutert Baraban.
Mehrere Analysen gleichzeitig
Doch das Team wollte eine weitere Herausforderung angehen. „Wir möchten natürlich, dass dieses System auch mehrere Analysen gleichzeitig durchführen kann“, erläutert Baraban das weitere Vorgehen. Dem Forschungsteam ist es gelungen, Extended Gates mitt 32 Test-Pads zu entwickeln. Hiermit kann eine Probe auf den einzelnen Pads auf unterschiedliche Krankheitserreger untersucht werden.
Das Team testete das neue System zunächst an Interleukin-6 (IL-6). Das Molekül ist für die Kommunikation zwischen Immunzellen verantwortlich und als Marker sehr gut geeignet: „Egal, ob einfache Erkältung oder Krebserkrankung – die Konzentration von IL-6 ändert sich. Verschiedene Krankheiten und auch verschiedene Stadien einer Krankheit erzeugen unterschiedliche Bilder“, beschreibt Baraban den Nutzen dieses Moleküls.
Steigerung der Sensitivität
Um das neuartige Testgerät noch sensitiver zu gestalten, verwendete das Team um Baraban Nanopartikel, welche durch Lokalisierung oder Konzentration der Ladung das Spannungssignal verstärken. Dieses Verfahren ist in der Praxis gut einsetzbar, da auf dem Markt fertige Nanopartikel-Kits für die Forschung erhältlich sind. Bisher arbeitete das Forschungsteam mit Goldnanopartikeln, möchte aber in Zukunft auch andere Möglichkeiten untersuchen.
Mithilfe eines funktionsfähigen, handlichen Testgeräts könnte in Zukunft z.B. der Verlauf einer Immuntherapie bei Krebspatienten kontrolliert oder schon zu Beginn einer Grippeerkrankung die Stärke und der Verlauf vorhergesagt werden. Da das neue System kostengünstiger und schneller ist, hofft das Team um Baraban nun auf Interesse aus der Industrie.
Quelle: HZDR
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