Standardmedizinische Verfahren sind oft zeitaufwendig und berücksichtigen in der Regel nicht die individuellen Eigenheiten der Patienten. Dies kann sich negativ auf den Behandlungserfolg auswirken und die Lebensqualität beeinträchtigen. Daher entwickelt ein Forschungsteam des Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IZI und Fraunhofer IOF Einweg-Biosensoren, die schnelle Ergebnisse liefern und über umfangreiche Multiplexing-Fähigkeiten verfügen.
Die verwendete Nachweismethode basiert auf speziellen, vom Fraunhofer IZI entwickelten Bioassays. Bei diesen Tests binden Antigenmoleküle spezifisch an Sensoroberflächen, die mit Fängermolekülen funktionalisiert wurden. Die Bindung der Moleküle an die Sensoroberfläche führt zu einer Resonanzwellenlängenverschiebung in den Transmissionsspektren des Biosensor-Chips. „Dank ihrer hohen Empfindlichkeit können diese Biosensoren biologische Moleküle in Flüssigkeiten präzise nachweisen, so dass sie zur Früherkennung von Krankheiten anhand von Körperflüssigkeiten eingesetzt werden können“, erklärt Dr. Florenta Costache, Projektleiterin am Fraunhofer IPMS.
Kosteneffiziente, skalierbare Biosensoren mit hoher Präzision
Die Biosensoren bestehen aus speziell entwickelten, skalierbaren On-Chip-Mehrkanal-Mikroring-Resonator-Architekturen mit derzeit bis zu sieben Sensoren, die für eine Wellenlänge von 1550 nm ausgelegt sind. Sie lassen sich auf einer Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform auf 200-mm-Siliziumwafern in der CMOS-kompatiblen Prozesslinie in einer der hochmodernen Reinraumanlagen des Fraunhofer IPMS herstellen.
(Bild: Fraunhofer IPMS)
Um die Empfindlichkeit noch weiter zu erhöhen, entwickeln die Forschenden derzeit weitere Sensordesigns, die im sichtbaren Bereich arbeiten. Diese basieren auf Mikroringresonatoren und Mach-Zehnder-Interferometern in verschiedenen einzigartigen Kombinationen. Dadurch ergeben sich kosteneffiziente, skalierbare Sensoren mit maßgeschneidertem Design, hoher Präzision und Zuverlässigkeit.
Costache ergänzt: „Zusätzlich haben wir ein Regenerationsverfahren zur Wiederherstellung der funktionalen Oberfläche des Sensors entwickelt und erfolgreich umgesetzt.“ Dadurch könne der Sensor recycelt und mehrfach verwendet werden. Das senke die Kosten und erleichtere einen mobilen Einsatz unter Feldbedingungen.
Biochip-Demonstrator für neurodegenerative und onkologische Erkrankungen
Das Forschungsteam hat bereits einen tragbaren Demonstrator entwickelt, der auf einem Mehrkanal-Siliziumnitrid-Mikroringresonator-Biosensorsystem basiert. Durch die Implementierung spezieller Lösungen für die Lichteinkopplung und -detektion lässt er einen einfachen Chipwechsel zu.
Dieses System ermöglicht den Multiplex-Nachweis spezifischer miRNA-Biomarker, die im Zusammenhang mit neurodegenerativen und onkologischen Erkrankungen stehen. Die auf der Sensoroberfläche immobilisierten Fängermoleküle für den Nachweis dieser Biomarker sind DNA-basiert.
Die entwickelten Sensoren und das integrierte System sind vielseitig einsetzbar. Sie lassen sich für den Nachweis von Nukleinsäuren, verschiedenen krankheitsbegleitenden Biomarkern sowie von Krankheitserregern in unterschiedlichen Flüssigkeiten anpassen.
Zusammenarbeit mit Kliniken ist der nächste Schritt
Die Biosensoren zeigen großes Potenzial für den Einsatz in der schnellen, minimal-invasiven Diagnostik, insbesondere für die Früherkennung von Krankheiten, Therapieüberwachung und Arzneimittelentwicklung. Die Institute streben eine Zusammenarbeit mit Diagnostikunternehmen und Kliniken für die nahe Zukunft an. So wollen sie die Entwicklung von Biosensoren für relevante biomedizinische Anwendungen weiter vorantreiben. Das Ziel ist, den praktischen Einsatz dieser Biosensoren im Gesundheitswesen zeitnah zu demonstrieren.
Kontakt:
Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS
Dr. Florenta Costache
Maria-Reiche-Str. 2
01109 Dresden
Telefon: +49 (0)351 8823 259
www.ipms.fraunhofer.de
