Forscher machen große Fortschritte auf dem Weg zu einem Allzweck-Biosensorchip

Forscher haben erhebliche Verbesserungen für Chip-basierte Sensorgeräte zur Erkennung oder Analyse von Substanzen nachgewiesen. Die Erfolge legen den Grundstein für hochempfindliche tragbare integrierte optofluidische Sensorgeräte, mit denen verschiedene Arten medizinischer Tests gleichzeitig durchgeführt werden könnten, selbst wenn es sich dabei um völlig unterschiedliche Arten von Biopartikeln handelt – etwa Viruspartikel und DNA – in sehr unterschiedlichen Konzentrationen.

Wie berichtet in Optik Forscher unter der Leitung von Holger Schmidt vom WM Keck Center for Nanoscale Optofluidics an der University of California, Santa Cruz (UCSC) wendeten neue Signalverarbeitungstechniken auf einen optofluidischen Chip-basierten Biosensor an. Diese Fortschritte ermöglichten eine nahtlose Fluoreszenzdetektion einer Mischung von Nanokügelchen in Konzentrationen über acht Größenordnungen, von attomolar bis nanomolar. Dadurch erweitert sich der Konzentrationsbereich, in dem diese Sensoren arbeiten können, um mehr als den Faktor 10.000.

„Diese Arbeit ist unser jüngster Schritt bei der Entwicklung integrierter optofluidischer Sensorgeräte, die empfindlich genug sind, um einzelne Biomoleküle zu erkennen und über einen sehr weiten Konzentrationsbereich hinweg zu funktionieren“, sagte Schmidt. „Wir haben gezeigt, dass dies mit einer einzigen Methode möglich ist, die es uns ermöglicht, mehrere Partikelarten gleichzeitig zu messen und zu unterscheiden, auch wenn sie sehr unterschiedliche Konzentrationen aufweisen.“

Erstellen eines Mehrzweck-Testgeräts

Obwohl viele Arten von Chip-basierten Testgeräten entwickelt wurden, konzentrieren sich die meisten auf ein Ziel oder einen Testtyp, da Biomoleküle in vielen verschiedenen Formen und in sehr unterschiedlichen Mengen vorliegen. Beispielsweise können die Konzentrationen verschiedener Proteine, die als Biomarker für Krankheiten verwendet werden, um mehr als zehn Größenordnungen variieren.

Schmidts Gruppe arbeitet in Zusammenarbeit mit Aaron Hawkins von der Brigham Young University an der Entwicklung einer Testplattform, die für mehrere Arten von Analysen verwendet werden könnte. Es basiert auf optofluidischen Chips, die Optik und mikrofluidische Kanäle auf einem Silizium- oder Kunststoffchip vereinen. Partikel werden erkannt, indem man sie mit einem Laserstrahl beleuchtet und dann die Reaktion der Partikel mit einem lichtempfindlichen Detektor misst.

Die Forscher haben zuvor gezeigt, dass ihre Plattform über die nötige Empfindlichkeit verfügt, um verschiedene Arten von Analysen durchzuführen und viele verschiedene Partikeltypen erkennen kann, darunter Nukleinsäuren, Proteine, Viren, Bakterien und Krebsbiomarker. Bisher verwendeten sie jedoch separate Detektoren und Signalanalysetechniken, um Partikel mit hoher und niedriger Konzentration zu messen. Dies war notwendig, denn wenn ein Partikeltyp in einer sehr hohen Konzentration vorhanden ist, erzeugt er eine sehr starke Reaktion, die die viel kleineren Signale eines anderen Partikeltyps in niedrigen Konzentrationen überlagert.

Bessere Signalverarbeitung

In der neuen Arbeit entwickelten Schmidt und der Doktorand Vahid Ganjalizadeh Signalverarbeitungsmethoden, mit denen sich Partikel in hohen und niedrigen Konzentrationen gleichzeitig erkennen lassen, auch wenn die Konzentrationen nicht im Voraus bekannt sind. Dazu kombinierten sie verschiedene Signalmodulationsfrequenzen: Hochfrequenz-Lasermodulation zur Unterscheidung einzelner Partikel bei niedrigen Konzentrationen und Niederfrequenz-Lasermodulation zur gleichzeitigen Erkennung großer Signale von vielen Partikeln bei hohen Konzentrationen.

„Zweitens haben wir eine Rückkopplungsschleife implementiert, die erkennt, wann die Signale wirklich groß sind, und die Eingangslaserleistung entsprechend anpasst“, sagte Schmidt. „Auf diese Weise können wir große Signale aus hohen Konzentrationen erkennen, ohne die schwachen Signale zu überfordern, die möglicherweise von einer anderen Spezies in niedrigen Konzentrationen vorhanden sind. Dadurch konnten wir gleichzeitig Partikel erkennen, die in sehr unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden waren.“

Die Forscher verwendeten außerdem einen extrem schnellen Algorithmus, den sie kürzlich entwickelt hatten, um Einzelpartikelsignale bei niedrigen Konzentrationen in Echtzeit zu identifizieren. Maschinelles Lernen half auch dabei, Signalmuster zu erkennen, sodass verschiedene Partikeltypen mit hoher Genauigkeit unterschieden werden konnten. „Diese Fortschritte bei der Signalanalyse sind ideal, um den Gerätebetrieb am Point-of-Care zu ermöglichen, wo die Signalqualität schlecht sein kann und eine Datenanalyse in Echtzeit erforderlich ist“, sagte Schmidt.

Unterscheiden niedriger und hoher Konzentrationen

Die Forscher demonstrierten ihren neuen Signalanalyseansatz, indem sie optofluidische Biosensorchips mit einer Lösung von Nanokügelchen in unterschiedlichen Konzentrationen und mit verschiedenen Fluoreszenzfarben pumpten. Sie konnten die Konzentration sowohl der gelbgrünen als auch der purpurroten Perlen korrekt bestimmen, obwohl sich ihre Konzentrationen in der Mischung um einen Faktor von mehr als 10.000 unterschieden.

„Während diese Arbeit einen spezifischen integrierten Sensor weiterentwickelt, der auf optischen Fluoreszenzsignalen basiert, kann die Signalanalysetechnik mit jeder Art von zeitabhängigem Signal verwendet werden, das einen weiten Konzentrationsbereich abdeckt“, sagte Schmidt. „Dazu können unterschiedliche optische Signale, aber auch elektrische Sensoren gehören.“

Die optofluidische Biosensortechnologie des Teams wird derzeit vom Medizingeräteunternehmen Fluxus Inc. kommerzialisiert. Die Forscher arbeiten auch daran, ihre Methoden anzupassen, um molekulare Produkte aus künstlichen neuronalen Zellgewebe-Organoiden zu untersuchen. Dieses Projekt, das Teil des UCSC Center for Live Cell Genomics ist, einem NIH-Kompetenzzentrum für Genomwissenschaft, könnte weitere Einblicke in Bereiche wie neurogenerative Erkrankungen und Kinderkrebs liefern.