Biomarker sind Bestandteile, die in biologischen Proben vorhanden sein können und mit bestimmten Krankheiten in Verbindung stehen. Daher können Ärzte biologische Proben eines Patienten analysieren, um seinen Gesundheitszustand zu überprüfen oder den Fortschritt einer bestimmten Therapie zu überwachen. Typischerweise müssen diese Proben vor der Analyse gereinigt und verdünnt werden, und aktuelle medizinische Diagnosetechniken verlassen sich für diese Routineanalysen auf Einrichtungen des Gesundheitswesens und Labors. Dies ist ein langwieriger Prozess, der geschultes Personal und teure Instrumente erfordert, um die Proben an zentralen Orten zu entnehmen, zu transportieren, zu lagern, zu verarbeiten und zu analysieren. Darüber hinaus kann in einer Zeit globaler Krisen wie der anhaltenden Pandemie der Druck von Tausenden von Analyseanfragen das Gesundheitssystem überlasten und zusammenbrechen lassen.
Andererseits sind Point-of-Care-Geräte, kleine automatisierte Instrumente, in der Lage, Diagnosen an dezentralen Orten durchzuführen und schnelle Antworten zu geben. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist das Glukosemessgerät, mit dem Menschen mit Diabetes ihren Blutzuckerspiegel überwachen. Diese Geräte können die inhärenten Einschränkungen überwinden, die mit der Verarbeitung einer Probe durch ein zentralisiertes System verbunden sind, und ermöglichen es jedem, seine Gesundheit von zu Hause aus zu überwachen, indem er einfach eine winzige Blutprobe verwendet, die mit einem Fingerstich entnommen wird.
Die Entwicklung dieser Geräte wurde jedoch durch die technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Messung biologischer Proben belastet. Biomarker für einige Krankheiten und Infektionen sind nur in sehr geringen Mengen in den Proben vorhanden, was wiederum die Herausforderung darstellt, extrem sensitive Nachweisverfahren zu entwickeln. Während eine Vergrößerung des Oberflächenbereichs des Biosensors die Empfindlichkeit des Instruments erhöhen kann, neigen diese Oberflächen dazu, schnell verstopft und kontaminiert zu werden, was sie unbrauchbar macht.
Zu diesem Zweck hat das Team um Professor CHO, Yoon-Kyoung am Center for Soft and Living Matter innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) in Ulsan, Südkorea, kürzlich einen Biosensor entwickelt, der eine Methode zur Erzeugung nanostrukturierter und nanoporöser Oberflächen verwendet. Diese kombinierte Strategie verleiht dem Sensor nicht nur eine beispiellose Empfindlichkeit, sondern macht ihn auch resistent gegen Fouling durch Proteine.
Während es bisher kein bekanntes Verfahren zur zuverlässigen Herstellung von Elektroden unter Verwendung solcher nanostrukturierter und nanoporöser Substrate gab, berichtete das Team über ein einfaches Verfahren zur Erzeugung solcher Materialien. Der Mechanismus basiert auf der Anwendung elektrischer Impulse auf eine flache Goldoberfläche in Gegenwart von Natriumchlorid und einem Tensid, das in Lösung Mizellen bilden kann. Diese elektrischen Impulse treiben eine bevorzugte Reaktion an, um Gold von der Oberfläche zu ätzen und wieder abzuscheiden und wiederum Nanostrukturen wachsen zu lassen und die Nanoporen zu bilden. Die Verwendung von Tensiden in Form von Micellen ist für den Erfolg dieser Strategie wesentlich, da sie verhindert, dass das geätzte Material während des Prozesses wegdiffundiert, sodass es wieder abgeschieden werden kann.
Die Bildung dieser Nanostrukturen ergab eine große Oberfläche, was für die Erhöhung der Empfindlichkeit der Assays vorteilhaft war, während die Bildung von Nanoporensubstraten ideal war, um eine Kontamination durch die biologischen Proben zu verhindern. Sowohl die Nanostrukturen als auch die kombinierten Vorteile der Nanoporen waren der Schlüssel zum Erfolg dieser Strategie, die für die direkte Analyse klinischer Plasmaproben angewendet werden könnte.
Die Forscher demonstrierten diese neue Technologie weiter, indem sie einen Biosensor zur Erkennung von Prostatakrebs bauten. Die Elektrode war empfindlich genug, um mit nur einer winzigen Menge an Blutplasma- oder Urinproben zwischen einer Gruppe von Prostatakrebs und gesunden Spendern zu unterscheiden. Es wurden keine Verdünnungs- oder Vorverarbeitungsschritte verwendet, was bedeutet, dass die Technologie problemlos für die Point-of-Care-Diagnose von Krebs verwendet werden könnte.
Professor Cho erklärte: „Wir glauben, dass diese Technologie für die zukünftige Entwicklung von Point-of-Care-Geräten und diagnostischen Tests, die mit biologischen Proben arbeiten, von entscheidender Bedeutung ist auf dem Gebiet der Diagnostik von Krebs, Krankheitserregern und anderen Krankheiten.“
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe am 17. Mai 2022 und die dazugehörige Illustration wurde für das Titelbild der aktuellen Ausgabe ausgewählt.
Jonathan Sabaté del Río et al, SEEDING zur Ermöglichung eines empfindlichen elektrochemischen Nachweises von Biomarkern in unverdünnten biologischen Proben, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202200981