Menschliche Tränenflüssigkeit enthält viele Proteine, Metabolite und andere Moleküle, deren Konzentrationen sich bei bestimmten Krankheiten stark ändern. Ein Forschungsteam hat jetzt ein handliches Testkit entwickelt, mit dem Gelbsucht-Patienten identifiziert werden konnten – untersucht wurde dafür ihre Tränenflüssigkeit. Der Schlüsselfaktor für den Erfolg war ein hybrider Sensor, der auch störende Verunreinigungen aus der Probe abtrennt. Der Ansatz könnte neue Wege für Früherkennung und Diagnostik anhand komplexer Körperflüssigkeiten aufzeigen, wie das Team der Wissenschaftler in einem Artikel in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreibt.
Diagnostik-Vorteil: Tränen sind einfacher zu bekommen als Blut
Ein Vorteil der Tränen-Diagnostik ist die bequeme, nichtinvasive Probengewinnung. Als Analysenmethode für enthaltene Biomoleküle bietet sich die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) an. Beim Raman-Effekt regt Licht bei der Streuung an Materie charakteristische Schwingungen und Rotationen von Molekülteilen an. Die resultierende Frequenzverschiebung beim Streulicht liefert einen molekularen „Fingerabdruck“.
Stehen die Analyt-Moleküle in Kontakt mit einer Metalloberfläche („Hotspots“), werden die Raman-Signale so verstärkt, dass die für die Tränen-Diagnostik nötige Ultrasensitivität erreicht wird. Eine Markierung der Analyte ist nicht erforderlich.
Diagnose anhand von Tränen braucht spezielle Sensoren
Kompakte Raman-Handgeräte stünden für die direkte Diagnostik beim Patienten zur Verfügung. Das Problem waren allerdings die geeigneten SERS-Sensoren. Tränen-Bestandteile deaktivieren die bisherig verfügbaren Sensoren rasch, da sie sich darauf ablagern.
Dennoch ist eine Diagnose ohne aufwendige Proben-Vorbehandlung möglich, wie das Team um Yun Feng (Peking University Third Hospital), Zhou Yang (University of Science and Technology Beijing) und Tie Wang (Tianjin University of Technology und Chinese Academy of Sciences Beijing) mit einem neuartigen Ansatz zeigt. Ihr Testkit für die Diagnose hat etwa die Größe einer Streichholzschachtel.
Was stört, sickert im Test-Kit nach unten
Herzstück ist eine hybride Schicht: Eine Lage regelmäßig angeordneter Siliziumdioxid-Nanokügelchen wird auf der Oberseite mit einer hauchfeinen Goldschicht versehen, auf die eine Schicht aus Gold-Nanopartikeln aufgetragen wird, die als SERS-Hotspots wirken. Die Zielmoleküle binden an das Gold und werden auf der Oberseite festgehalten, während kleinere Tränenbestandteile durch die Zwischenräume zwischen den Siliziumdioxid-Nanokügelchen in ein saugfähiges Substrat unterhalb der Schicht gelangen. Die Porendurchmesser lassen sich über die Größe der verwendeten Kügelchen so einstellen, dass die störenden Hauptbestandteile von Tränen – wie die Eiweiße Albumin und Lysozym, aber auch IgG und Peroxidase – abgetrennt werden.
(Bild: Wiley-VCH)
Die als SiO2@Au@AuNPs bezeichnete Schicht wird zwischen zwei Glasträgern eingebettet und in ein Gehäuse eingeschlossen. Eine Spitze ragt daraus hervor. Sie dient dazu, Tränenflüssigkeit am Augenwinkel zu sammeln. Die SERS-Untersuchung erfolgt durch ein Fenster auf der Oberseite.
Tränendiagnose am Beispiel der Gelbsucht
Mithilfe des neuen Testkits identifizierte das Team erfolgreich Patienten mit Gelbsucht – einer Stoffwechselstörung bei Leber- und Gallenerkrankungen. Der Gallenfarbstoff Bilirubin wird bei den Erkrankten nicht ausreichend ausgeschieden, sondern im Körper angereichert und findet sich auch in Tränenflüssigkeit. Bilirubin bindet stark an das Gold des Sensors und ist anhand seines SERS-Signals sehr empfindlich nachweisbar.
