Infektions- und Immunitätsstatus der Bevölkerung gelten als Schlüsselparameter für den Umgang mit Pandemien. Dabei ist der Nachweis von Antigenen und Antikörpern von großer Bedeutung. Eine Möglichkeit für ein schnelles Screening sind die derzeit dafür eingesetzten Geräte, sogenannte Point-of-Care (POC)-Geräte.
Ihre Empfindlichkeit muss jedoch weiter verbessert werden. Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist eine solche Verbesserung gelungen, indem sie einen Nanobiosensor auf Basis von Gold-Nanodrähten entwickelt haben. Ursprünglich nur für den Nachweis von COVID-19-assoziierten Antigenen und Antikörpern gedacht, ist der Biosensor auch auf andere Biomarker übertragbar.
Aus zahlreichen Studien ist mittlerweile bekannt, dass zum Nachweis von SARS-CoV-2 sogenannte POC-Lateral-Flow-Tests (LFT) eine gute und präzise Alternative zur Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion, umgangssprachlich PCR-Tests, darstellen. Zu den zahlreichen Vorteilen des LFT-Tests gegenüber PCR-Tests gehören der schnelle Nachweis, das Testen vor Ort, die geringen Kosten und der Betrieb ohne Laborgeräte.
Das größte Manko von POC-Biosensoren ist jedoch, dass ihre Empfindlichkeit von der Viruslast abhängig ist. Bei einer hohen Viruslast beträgt die Sensitivität hundert Prozent, während sie bei einer niedrigen Viruslast unter zehn Prozent fallen kann. Dies kann zu falsch negativen Testergebnissen führen. Ziel der HZDR-Forscher war es, Sensorsysteme zu entwickeln, die auch zur Detektion geringer Viruslasten eingesetzt werden können und schnelle und genaue Ergebnisse liefern.
Dr. Larysa Baraban und ihr Team vom HZDR-Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung nutzten dazu Nanodrähte aus Gold, mit denen sich verschiedene Biomoleküle wie Enzyme, Proteine und Antikörper nachweisen lassen.
Dieser Ansatz wurde mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie kombiniert, einer Technik, die Informationen über verschiedene Prozesse an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt liefert, darunter Ladungstransfer, Diffusionstransport und Bildung einer elektrischen Doppelschicht, sowie über die Eigenschaften des Messsystems. Dazu gehören Lösungswiderstand und Rauhigkeit oder Porosität der Elektrodenoberfläche.
„In unserer Arbeit haben wir einen nanoskopischen Biosensor-Chip entwickelt, der aus sechs Paaren ineinandergreifender Gold-Nanodraht-Geräte zum Nachweis von SARS-CoV-2-Antigenen und -Antikörpern besteht“, sagt Baraban über das Projekt.
„Damit ist es möglich, sowohl COVID-19-assoziierte Antigene als auch entsprechende Antikörper nachzuweisen, die während und nach einer Infektion mit dem Virus auftreten. Wir gehen davon aus, dass die Methode auch auf andere Biomarker und Erreger übertragbar ist. Die gegen das Biomolekül gerichtete Funktionsschicht muss modifiziert werden entsprechend für diesen Zweck.“
Derzeit laufen Überlegungen und Gespräche mit der Industrie, wie der Sensor kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Sensoren.
Mehr Informationen:
Diana Isabel Sandoval Bojórquez et al, Impedimetric Nanobiosensor for the Detection of SARS-CoV-2 Antigens and Antibodies, ACS-Sensoren (2023). DOI: 10.1021/acssensors.2c01686