Biosensoren zur Diagnose von Blasenkrebs
Trotz technologischer Fortschritte greift man in der klinischen Praxis für Krebsdiagnosen routinemäßig nach wie vor auf traditionelle Methoden wie ELISA-Assays zurück. Diese gestalten sich jedoch zeitaufwendig und bieten keine ausreichende Empfindlichkeit. Klinisch relevante Alternativen zur Früherkennung bei besonders krebsgefährdeten Personen sind daher dringend nötig. Forscher des EU-finanzierten Projekts BlaC E-assay planten daher die Entwicklung von Biosensoren. Diese Vorrichtungen kommen in zahlreichen biomedizinischen Anwendungen zum Einsatz, um bestimmte Moleküle in biologischen Proben nachzuweisen. Biosensoren verwenden zum Nachweis des Zielmoleküls Biorezeptoren (z. B. Antikörper, Oligonukleotide oder Enzyme), die ein Signal wie Wärme, Licht oder pH-Wertveränderung erzeugen. Über einen Transducer wird das Bioerkennungsereignis in ein elektrisches oder optisches Signal umgewandelt, das sich proportional zur Konzentration des gemessenen Moleküls verhält. Elektrochemische Biosensoren werden häufig zur häuslichen Blutzuckermessung bei Diabetespatienten sowie für Anwendungen wie Umweltüberwachung, Lebensmittelsicherheit und Arzneimittelforschung eingesetzt. Hinter BlaC E-assay stand der Gedanke, ein zuverlässiges Point-of-Care-Diagnostiksystem für Krebs zu entwickeln, das mikrofluidische und elektrochemische Technologien integriert. Ein neuartiger Biosensor zur Biomarkerdetektion Bereits existierende elektrochemische Sensoren bieten eine einfache Bedienung, Präzision und eine hohe Empfindlichkeit, sind jedoch häufig mit Problemen wie Hintergrundsignalen, Nichtspezifität und Nichtselektivität in klinischen Proben verbunden. Da die Selektivität jedoch zu den wichtigsten Merkmalen eines diagnostischen Biosensors gehört, prüften die Wissenschaftler die Wahl der Bioerkennungsmoleküle mit sehr viel Bedacht. „Das BlaC E-assay-System ist eine generische Plattform, die sich an verschiedene diagnostische Tests anpassen lässt, sofern ein Bioerkennungselement wie ein Antikörper oder ein DNA-Aptamer zur Verfügung steht“, erklärt Projektkoordinator Dr. Estrela. „Unser Schwerpunkt lag auf der Detektion verschiedener Protein-Biomarker für Blasen- und Brustkrebs“, so Dr. Estrela weiter. Um die Instabilität von Antikörpern zu umgehen, suchten die Wissenschaftler nach alternativen Bioerkennungselementen wie z. B. synthetischen Oligonukleotid-Aptameren. Diese bestehen aus einer Einzelstrang-DNS oder -RNS und dienen zur Bindung bestimmter Ziele wie Proteinen. Das Tischgerät von BlaC E-assay besitzt separate Assay- und Detektionskammern mit einer innovativen Oberflächenchemie und mikrofluidischem Aufbau, der elektrochemische Detektionsmethoden nutzt. Ein Test in klinischem Umfeld erfolgte zwar nicht, doch Proben von handelsüblichem Blutserum, die mit den erwähnten Biomarkern versetzt wurden, zeigten vielversprechende Ergebnisse. Der BlaC E-Assay-Biosensor arbeitete präzise und lieferte reproduzierbare Ergebnisse. Die Forscher beschäftigten sich außerdem weiter mit der Empfindlichkeit und Auflösung des Geräts. Im klinischen Umfeld müssen Biosensoren eine hohe Empfindlichkeit zur Moleküldetektion in ng/ml-Konzentrationen aufweisen. Darüber hinaus müssen sie eine ausreichende Auflösung bieten, indem sie eine proportionale Reaktion auf die Analytenkonzentrationen ermöglichen. Die Zukunft der Biosensoren in der Krankheitsdiagnostik Trotz umfassender Forschungsbemühungen in den vergangenen 50 Jahren sind kommerziell erhältliche Biosensoren, mit Ausnahme von Lateral-Flow-Schwangerschaftstests und elektrochemischen Glukose-Biosensoren, nach wie vor stark beschränkt. Kommerzielle klinische Anwendungen bringen verschiedene Probleme mit sich, wie etwa Schwierigkeiten bei der Zusammenführung von Teams aus unterschiedlichen Disziplinen, bei der Umsetzung akademischer Forschung in wirtschaftlich tragfähige Prototypen sowie bei der Bewältigung komplexer Regulierungsfragen. Angesichts neuartiger Nanomaterialien und Mikroherstellungstechnologien sieht die Zukunft der Biosensoren in der biomedizinischen Diagnostik durchaus verheißungsvoll aus. Die Anwendungsnische der Krankheitsdiagnostik wächst kontinuierlich weiter. Neuerungen auf dem Gebiet der Biosensorentwicklung werden hier mit Sicherheit einen wertvollen Beitrag zur Diagnose vieler Krankheiten leisten. Im Anschluss an den Machbarkeitsnachweis strebt Dr. Estrela eine weitere Finanzierung zur Konstruktion eines Geräteprototypen an, der miniaturisiert und der Industrie zur Kommerzialisierung angeboten werden kann.
