Biomarker sind kleine Moleküle, die für Forscher von Interesse sind, da sie auf zugrunde liegende Krankheiten hinweisen können, oft sogar bevor Symptome auftreten. Das Erkennen dieser Marker kann jedoch eine Herausforderung sein, da sie oft in sehr geringen Mengen vorhanden sind, insbesondere im Frühstadium einer Krankheit. Herkömmliche Nachweismethoden sind zwar effektiv, erfordern jedoch in der Regel teure Komponenten wie Prismen, Metallfilme oder optische Objektive.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Angewandte Physik BriefeForscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben einen neuartigen Ansatz zur Erkennung niedriger Konzentrationen von Biomarkern vorgestellt, der den Weg für eine Biodetektionstechnologie ebnet, die einfach zu verwenden, hochempfindlich und überraschend erschwinglich ist.
„Das Ziel dieser Technologie ist eine Frühdiagnose, um krankheitsassoziierte Moleküle in sehr geringen Konzentrationen, manchmal nur ein paar Moleküle pro Millionen, sehr früh erkennen zu können“, sagte Seemesh Bhaskar, Postdoktorand in Brian Cunninghams Labor und Erstautor der Studie. „Die Suche nach sehr geringen Konzentrationen von Mikro-RNA, zirkulierender Tumor-DNA und Exosomen kann beispielsweise dabei helfen, festzustellen, ob ein Patient in ein oder zwei Jahren an Krebs erkranken wird.“
Die frühzeitige Erkennung von Biomarkern ist für die Vorhersage und wirksame Behandlung von Krankheiten von entscheidender Bedeutung. Es gibt viele Strategien zur Messung des Vorhandenseins und der Konzentration von Biomarkern, aber ein gängiger Ansatz besteht darin, sie mit einem fluoreszierenden Molekül, einem sogenannten Fluorophor, zu binden, das bei Anregung mit Licht Fluoreszenz aussendet.
Bhaskar wies darauf hin, dass es zwar Technologien gebe, mit denen sich diese niedrigen Konzentrationen fluoreszierender Biomarker gut nachweisen ließen, diese jedoch häufig sperrig und teuer seien, was ihre Zugänglichkeit im Gesundheitswesen, insbesondere in ressourcenarmen Gebieten, einschränke.
Der Ansatz umfasst ein neuartiges Phänomen zur Lichterkennung, die sogenannte strahlende geführte Modenresonanz, bei der photonische Kristalle zum Einsatz kommen – dünne Glasstücke mit kleinen Gittern auf der Oberfläche. Diese Gitter helfen dabei, die von Biomarkern emittierten Photonen, kleine Lichtpartikel, über einen Lenkeffekt entlang eines Pfads zu lenken. Dieser Pfad ist „abgestimmt“, um der Wellenlänge der von den Biomarkern emittierten Fluoreszenz zu entsprechen, wodurch die Lichtsammlung optimiert und die Erkennungsempfindlichkeit verbessert wird.
Bhaskar vergleicht dies mit einem rhythmischen Tanz der Lichtenergie im Kristall, bei dem das Licht verstärkt wird und gleichzeitig die Eigenschaften des photonischen Kristalls annimmt. Eine Eigenschaft des Kristalls, die sogenannte Polarisationsselektion, gleicht die Polarisation des Lichts aus und sorgt so für eine klarere und schärfere Fluoreszenzerkennung. Zusammen kann dies zu einer 100-mal stärkeren Leistung führen.
„Für mich ist das eine ganz neue Art, die Eigenschaften des Lichts selbst zu untersuchen“, sagte Bhaskar. „Die Photonen passen sich an, verändern und entwickeln sich, während sie durch den photonischen Kristall gehen. Das Licht nimmt neue Eigenschaften an, ohne seine Essenz zu verlieren. Es ist ein Beweis für die Anpassungsfähigkeit und transformative Kraft des Lichts.“
Die Entdeckung dieses neuen Phänomens schafft die Grundlage für zukünftige Detektionsplattformen, die Moleküle auf pikomolarer Ebene erkennen können, ohne auf teure Komponenten angewiesen zu sein, wodurch die Biodetektionstechnologie empfindlicher, zugänglicher und erschwinglicher wird.
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Seemesh Bhaskar et al., Photonische kristallgekoppelte verbesserte Lenkemission: Ein prismenfreier, objektivfreier und metallfreier verlustfreier Ansatz für die Biosensorik, Angewandte Physik Briefe (2024). DOI: 10.1063/5.0203999