LABOR
Moleküle detektieren
Ein Smartphone als Analysegerät Um Krankheiten zu erkennen, spielen Biomarker eine zentrale Rolle. Dazu zählen beispielsweise Gene, Proteine, Hormone, Lipide oder andere Moleküle. Sie kommen im Blut, im Liquor, im Urin oder in unterschiedlichen Gewebetypen vor – haben aber eine Gemeinsamkeit: Ihre Konzentration ist sehr gering, was den Nachweis technisch anspruchsvoll macht. Doch Chemiker zeigen, wie eine simple Handykamera Moleküle detektieren kann.
Bild: Envato
Viele Verfahren arbeiten mit molekularen Sonden, die an Biomarker binden. Das können beispielsweise Antikörper oder Nukleinsäuren, sprich kurze Abschnitte des Erbguts, sein. Erkennen Sonden einen Biomarker, binden sie daran. Über chemische oder physikalische Reaktionen entstehen Fluoreszenzsignale. Solche Verfahren funktionieren, falls ihre Sensitivität hoch genug ist. Das heisst, sie erkennen einen hohen Prozentsatz aller Patienten, die diese Biomarker im Blut tragen. Ausserdem müssen die entstehenden Signale verstärkt werden, um die Tests in der Praxis bei der patientennahen Diagnostik einsetzen zu können. Ziel ist, Untersuchungen direkt beim Patienten durchzuführen, ohne viel Zeit zu verlieren, weil die Proben erst in ein entferntes Labor geschickt werden müssen.
Molekulare Antennen verstärken Fluoreszenzsignale
Bereits heute besitzen die Smartphones recht gute Kameras. Mit einigen technischen Kniffs lassen sich, wie mit einem Smartphone-Mikroskop, Biomarker im Blutserum detektieren.
Der Wissenschaftler Philip Tinnefeld, Inhaber eines Lehrstuhls für Physikalische Chemie an der Universität München, hat eine Strategie entwickelt, um Biomarker in niedriger Konzentration nachzuweisen. Ihm ist es gelungen, DNA-Sonden mit kleinsten Gold- oder Silberteilchen zu verknüpfen. Zwei Partikel, Dimer genannt, wirken als Nanoantenne und verstärken Fluoreszenzsignale. Das geht so: Wechsel-
wirkungen zwischen den Nanopartikeln und den Lichtwellen intensivieren elektromagnetische Felder, was zu einer enormen Verstärkung der Fluoreszenz führt. Damit gelingt es etwa, Bakterien mit Antibiotikaresistenzgenen oder auch Viren nachzuweisen. «DNA-basierte Nanoantennen sind schon seit einigen Jahren bekannt», sagt Kateryna Trofymchuk, eine
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der Erstautorinnen der Studie. «Aber die Herstellung dieser Nanostrukturen blieb eine grosse Herausforderung.» Der Arbeitsgruppe von Tinnefeld ist es gelungen, Bestandteile ihrer Nanoantenne präziser anzuordnen und DNA-Moleküle, die als Fänger-Sonden fungieren, am Ort der Signalverstärkung zu platzieren. Dadurch wird das Fluoreszenzsignal wirk-
5/2021
