Biosensorik: Grippe- und andere Antikörper per Chip nachweisen

Italienische Forscher haben einen kompakten Biosensor entwickelt, mit dem sich spezifische Antikörper aus kleinen Proben direkt vor Ort bestimmen lassen. Ihren zellfreien Ansatz stellten sie jetzt im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ vor.

Praktische Anwendungen von Nanotechnologie in der Biologie, darauf haben sich die Forscher der Arbeitsgruppe um den Chemie-Professor Francesco Ricci an der „Tor Vergata“ Universität in der italienischen Hauptstadt Rom spezialisiert. Neben Nanomaschinen, die Wirkstoffe gezielt freisetzen, und supramolekularer Chemie beschäftigen sich die Forscher mit „Nano-Switches“, die durch die Natur inspiriert sind. In den letzten Bereich fällt zum Teil auch die Arbeit, deren Ergebnisse die Forscher jetzt im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ (Internationale Edition) veröffentlichten.

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Mit programmierten winzigen synthetischen „Gen-Regelkreisen“, einer zellfreien Transkription und einer Einmal-Elektrode, die auf RNA reagiert, konstruierten die Forscher einen Biosensor, der hochspezifisch und sensitiv aus kleinsten Probemengen Antikörper nachweisen kann – ohne aufwändige Labor-Analyse.

Das miniaturisierbare System basiert darauf, dass eine gedruckte Elektrode mit einem Stück DNA gekoppelt wird. Die „Tinte“ für die Elektrode enthält dabei Silber und Graphen. Bindet an die DNA entsprechend spezifisch ein RNA-Strang, so verändert dies den gemessenen Stromfluss an der Elektrode.

Antikörper aus der Probe schalten den Gen-Regelkreis ein

Diese RNA wiederum stammt aus einem spezifischen Gen-Regelkreis, der sich eine synthetische Transkription ohne Anwesenheit von Zellen zunutze macht. Die Forscher entwickelten dazu ein synthetisches Gen mit einer unvollständigen Promotor-Sequenz. Das Gen wird abgelesen und in die spezifische RNA übersetzt, wenn der Promotor komplettiert wird – der Genregelkreis somit „eingeschaltet“ wird.

Um den Promotor zu komplettieren, bedarf es der obersten analytischen Ebene dieser Nano-Maschine. In der Testlösung, die in dem Testgerät enthalten ist, befinden sich die fehlenden DNA-Stücke des Promotors, gebunden an ein spezifisches Peptid.

In ihrem Testansatz nutzten die Forscher dazu neben zwei weiteren Peptiden die Hämaglutinase des Influenza-Virus – das sogenannte HA-Antigen. Enthielt nun die zu dem Testchip gegebene (Blut-)Probe gegen das HA-Antigen gerichtete Antikörper, so führte dies dazu, dass sich die fehlende Promotor-Sequenz richtig anordnete und in den Gen-Regelkreis integrierte. Das synthetische Gen wird daraufhin transkribiert – es entsteht spezifische RNA.

System anpassbar an eine Vielzahl möglicher zu bestimmender Antikörper

Die RNA wiederum interagiert mit der an die Elektrode gebundenen DNA, was zu einer Änderung des Stromsignals führt. Die Elektrode ist dabei als Einmal-Elektrode angelegt und kann gewechselt werden. Die Änderung des Signals erfolgt spezifisch nur, wenn der gesuchte Antikörper in der zugefügten zu analysierenden Probe enthalten ist.

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Die Art des zu analysierenden Antikörpers lässt sich dabei über das spezifische Peptid steuern, das mit den Promotor-Teilstücken gekoppelt ist. Grundsätzlich sei das System anpassbar an eine Vielzahl möglicher zu bestimmender Antikörper.

Mit kleinen Probemengen, einer möglichen extremen Miniaturisierung und nur geringen Kosten, könne diese Analysemaschine ideal am Point-of-Care eingesetzt werden, sagen die Forscher. „Die Plattform verbindet die Merkmale der hohen Empfindlichkeit und Spezifität zellfreier Systeme mit der Stärke der Kosteneffizienz und der möglichen Miniaturisierung durch die elektrochemische Detektion“, schreiben die Wissenschaftler. Die Sensitivität, Selektivität, Spezifität und Multiplex-Nutzbarkeit des Systems habe man mit dem HA-Antikörper und zwei weiteren gut nachweisen können, sagen sie.

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