Optischer Sensor auf Chip-Basis erkennt Krebs-Biomarker im Urin
Erstmals haben die Forscher mit einem chipbasierten Sensor mit integriertem Laser sehr niedrige Werte eines Krebsprotein-Biomarkers in einer Urinprobe nachgewiesen. Die neue Technologie ist empfindlicher als andere Designs und könnte zu nicht-invasiven und kostengünstigen Methoden zum Nachweis von Molekülen führen, die das Vorhandensein oder Fortschreiten einer Krankheit anzeigen.
Pumpenlicht, das mit dem Gerät gekoppelt ist, das in einem Mikroresonator gelasert wird. Die Oberfläche des Resonators enthält Sonden (rote Ankermoleküle am Ring), die die interessierenden Analyten einfangen. Das Laserlicht im Ring reicht in die Flüssigkeit hinein. Wenn sich interessierende Analyten (blaue Dreiecke) an den Erfassungssonden anlagern, wird dies durch das Feld außerhalb des mikrorisierenden Lasers erfasst und die Frequenz der Laseremission verschoben. Diese Verschiebung kann sehr genau gemessen werden, so dass winzige Mengen von Analyten, die über den Sensor fließen, "spezifisch" erfasst werden können (d.h. die rosa Partikel binden nicht an die Fangschicht und werden daher nicht erkannt). In der Abbildung sind die Hohlleiter grün (echte Farbe, die durch die Aufwärtsumwandlung der Dotierstoffe, die die Laseremission induzieren, erzeugt wird) und ein mikrofluidischer Kanal zu sehen, in dem verschiedene Partikel von links nach rechts fließen.
Rick Seubers, Optical Sciences group, University of Twente
"Die derzeitigen Methoden zur Messung von Biomarkerwerten sind teuer und anspruchsvoll und erfordern Biopsien und Analysen in spezialisierten Labors", sagte Sonia M. Garcia-Blanco, Leiterin des Forschungsteams von der Universität Twente in den Niederlanden. "Die neue Technologie, die wir entwickelt haben, ebnet den Weg zu einer schnelleren und hochempfindlichen Erkennung von Biomarkern, die es Ärzten ermöglichen wird, rechtzeitig Entscheidungen zu treffen, die eine verbesserte personalisierte Diagnose und Behandlung von Krankheiten einschließlich Krebs ermöglichen."
In der Zeitschrift Optics Letters der Optical Society (OSA), einer vom europäischen H2020-Projekt GLAM (Glass multiplexed biosensor) geförderten multiinstitutionellen Forschergruppe, zeigt der neue Sensor, dass er den markierungsfreien Nachweis von S100A4, einem Protein, das mit der Entwicklung eines menschlichen Tumors verbunden ist, auf klinisch relevanten Ebenen durchführen kann.
"Der Biosensor könnte Point-of-Care-Geräte ermöglichen, die gleichzeitig nach verschiedenen Krankheiten suchen", sagt Garcia-Blanco. "Die Bedienung ist einfach und erfordert keine komplizierten Probenbehandlungen oder Sensoroperationen, was es zu einem ausgezeichneten Kandidaten für klinische Anwendungen macht."
Die Forscher sagen, dass der Sensor auch für nicht-biomedizinische Anwendungen geeignet ist. So kann es beispielsweise auch zum Nachweis verschiedener Arten von Gasen oder Flüssigkeitsgemischen eingesetzt werden.
Erstellen eines hochempfindlichen Sensors
Der neue chipbasierte Sensor erkennt das Vorhandensein bestimmter Moleküle, indem er die Probe mit Licht eines Mikroscheibenlasers auf dem Chip beleuchtet. Wenn das Licht mit dem interessierenden Biomarker interagiert, verschiebt sich die Farbe oder Frequenz dieses Laserlichts auf erkennbare Weise.
Um den Nachweis in Urinproben durchzuführen, mussten die Forscher herausfinden, wie man einen Laser integriert, der in einer flüssigen Umgebung arbeiten kann. Sie wandten sich dem photonischen Material Aluminiumoxid zu, denn wenn es mit Ytterbium-Ionen dotiert ist, kann es zur Herstellung eines Lasers verwendet werden, der in einem Wellenlängenbereich außerhalb des Lichtabsorptionsbandes von Wasser emittiert und dennoch die genaue Detektion der Biomarker ermöglicht.
"Obwohl es bereits Sensoren gibt, die Frequenzverschiebungen von Lasern überwachen, gibt es sie oft in Geometrien, die auf kleinen, wegwerfbaren photonischen Chips nicht leicht zu integrieren sind", sagt Garcia-Blanco. "Aluminiumoxid kann leicht monolithisch auf dem Chip hergestellt werden und ist mit den üblichen Verfahren der Elektronikfertigung kompatibel. Das bedeutet, dass die Sensoren im großen, industriellen Maßstab hergestellt werden können."
Die Verwendung eines Mikroscheibenlasers anstelle der in anderen ähnlichen Sensoren verwendeten nichtlasierenden Ringresonatoren öffnet die Tür zu einer beispiellosen Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit ergibt sich daraus, dass die Laserlinienbreite wesentlich schmaler ist als die Resonanzen passiver Ringresonatoren. Sobald andere Rauschquellen, wie z.B. thermisches Rauschen, eliminiert sind, ermöglicht dieses Verfahren die Erkennung von sehr kleinen Frequenzverschiebungen von Biomarkern bei sehr niedrigen Konzentrationen.
Detektion kleinster Biomarker-Konzentrationen
Nach der Entwicklung und Anwendung einer Oberflächenbehandlung, die die Biomarker von Interesse in komplexen Flüssigkeiten wie Urin erfasst, testeten die Forscher den neuen Sensor mit synthetischem Urin mit bekannten Biomarkerwerten. Sie waren in der Lage, S100A4 bei Konzentrationen von bis zu 300 Picomolaren zu erkennen.
"Die Detektion in diesem Konzentrationsbereich zeigt das Potenzial der Plattform für markierungsfreies Biosensorik", sagt Garcia-Blanco. "Darüber hinaus kann das Detektionsmodul mit der entwickelten Technologie potenziell sehr einfach gestaltet werden, was es der endgültigen Anwendung außerhalb des Labors einen Schritt näher bringt."
Die Forscher arbeiten daran, alle relevanten optischen Quellen und Signalerzeugungskomponenten auf den Chip zu integrieren, um die Bedienung des Gerätes noch einfacher zu gestalten. Außerdem wollen sie verschiedene Beschichtungen entwickeln, die eine parallele Detektion einer Vielzahl von Biomarkern ermöglichen.
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