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Advanced nanophotonic point-of-care analysis device for fast and early diagnosis of cardiovascular diseases

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Nanotechnologischer Nachweis von Biomarkern für Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Blutproben

Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach patientennahen Tests wurde die Analysetechnologie PHOCNOSIS zur Früherkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickelt.

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Gesundheit

Herz-Kreislauf-Erkrankungen fordern EU-weit die meisten (1,9 Mio.) Todesopfer pro Jahr (40 % aller Todesfälle), mit geschätzten Kosten in Höhe von fast 196 Mrd. EUR jährlich. Herz-Kreislauf-Erkrankungen können jedoch erfolgreich behandelt werden, wenn sie frühzeitig erkannt und gemäß den bewährten Verfahren behandelt werden.

Doppelter „Nano-Nachweis“ spezieller Biomarker

„Unser EU-finanziertes Projekt PHOCNOSIS entwickelte ein nanotechnologisches Analysegerät für die minimalinvasive Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen“, erläutert Projektkoordinator Jaime García-Rupérez. Grundlegend ist dabei die Kombination von Nanophotonik und Mikro-/Nanofluidik. Die Sensorelemente im System bestehen aus kleinsten nanophotonischen und hochsensitiven Strukturen. Wie García-Rupérez erklärt, „können auf den Analysechips Tausende von Sensorelementen auf kleinstem Raum platziert werden.” Um die Sensitivität weiter zu erhöhen und so die erforderliche Konzentration der Zielbiomarker zu erreichen, wurden die nanophotonischen Sensoren mit einem elektrisch gesteuerten nanofluidischen System auf der Grundlage von Verarmungszonen-Isotachophorese (dz-ITP) kombiniert. Damit kann die Konzentration der Zielanalyten an einer spezifischen Stelle signifikant erhöht werden.

Zusammenführung beider Nanosysteme für künftige Anwendungen

Obwohl das nanofluidische und das nanophotonische System unabhängig voneinander demonstriert wurden, gelang es nicht, sie während der Projektlaufzeit zu integrieren. Wie sich herausstellte, „produzierten die elektrischen Signale, mit denen der nanofluidische Konzentrator gesteuert wird, zu hohe optische Verluste für die nanophotonischen Sensoren“, erklärt der Koordinator. Obwohl die Forschergruppe versuchte, die elektrischen Signale zu verändern, so den Konzentrator betriebsfähig zu halten und zu hohe optische Verluste zu vermeiden, blieb zu wenig Zeit für aussagefähige Tests. Dabei fiel dem Forscherteam aber auf, dass dieser eigentlich unerwünschte Effekt in anderen Szenarien wie optischer Signalsteuerung und -verarbeitung durchaus sinnvoll eingesetzt werden könnte. Wenn es der Forschergruppe von PHOCNOSIS gelingt, diese Probleme zu lösen, reichen für das System zwei bis drei Tropfen Blut eines Patienten und nur zehn bis fünfzehn Minuten, um frühe Anzeichen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu diagnostizieren. Eine weitere relevante Option, die das PHOCNOSIS-Team entwickelte, war der Einsatz von Fluoreszenzmarkern mit dem Konzentrator, was sehr gute Ergebnisse erzielte. Die Arbeiten in dieser Richtung sollen nun fortgeführt werden, um ein kostengünstiges, kompaktes und benutzerfreundliches System zu entwickeln. „Die zu untersuchende Probe muss lediglich in eine Analysekassette gefüllt und mit der automatisierten Leseplattform ausgelesen werden“, fügt García-Rupérez hinzu. Insgesamt liegt als beachtliches Ergebnis bereits der Prototyp einer Plattform vor, der für andere Anwendungen sinnvoll ist, bei denen die Nachweisgrenze oder Analytenkonzentration höher ist. Beispiele sind bakterielle Kontaminationen im Lebensmittel- oder Umweltsektor. Hierfür könnte der Assay für den Sensorchip entsprechend kalibriert werden. García-Rupérez zufolge könnte die Kombination von Fluoreszenzmarkern und nanofluidischem Konzentrationssystem direktere Anwendung in der medizinischen Diagnostik finden. „Insgesamt waren die Fortschritte in den verschiedenen an PHOCNOSIS beteiligten Forschungsbereichen bemerkenswert und lieferten uns viele neue Erkenntnisse für die zukünftige Arbeit an Systemen für patientennahe Tests“, schließt er.

Schlüsselbegriffe

PHOCNOSIS, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, HKE, nanophotonisch, nanofluidisch, kardiovaskuläre Erkrankungen, Chip, patientennaher Test

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