Mobile Schnelltests für Prostata- und Darmkrebs: Mikroelektronik misst Antigen-Konzentrationen

9.11.2017. Das IMMS präsentiert zur MEDICA vom 13. bis 16. November auf der Messe Düsseldorf ein mobiles Mikroelektronik-basiertes Testsystem zur Früherkennung von Prostata- und Darmkrebs. Anhand des Funktionsmusters veranschaulicht das IMMS mit Live-Demos das Nachweisprinzip der neuen Schnelltests. Diese werden derzeit gemeinsam mit Thüringer Partnern im Projekt INSPECT entwickelt. Das IMMS erarbeitet die anwendungsspezifische Mikroelektronik. Dabei stehen die Signalverarbeitung insbesondere bei extrem geringen Signalunterschieden sowie eine effiziente Rauschunterdrückung im Fokus. Mithilfe von am IMMS entwickelten Chips führt die Senova Gesellschaft für Biowissenschaft und Technik mbH umfangreiche Testreihen mit Bioproben durch. Grundlage dafür ist Senovas Know-how für immunologische Assays zur Diagnostik von Krebserkrankungen und die biochemische Funktionalisierung der Chipoberflächen. Durch die Kombination von immunologischen Nachweismethoden mit Mikroelektronik wird es möglich, Biomarker für Krebskrankheiten frühzeitig, präzise und zuverlässig in geringsten Konzentrationen nachzuweisen.

Übliche Schnelltests arbeiten nur qualitativ

Für einige Krebsarten können Schnelltests direkt durch den behandelnden Arzt vorgenommen werden, unmittelbar Ergebnisse bereitstellen und zeit- wie kostenaufwändige Laboruntersuchungen vermeiden. Stand der Technik sind dabei unter anderem Teststreifen, auf denen Antikörper-Moleküle aufgebracht sind. Diese Bindungsmoleküle sind farbig markiert, halten in der Probenflüssigkeit das gesuchte Molekül fest und liefern nach fünf bis zehn Minuten einen Befund als Ja-Nein-Aussage in Form einer vorhandenen oder nichtvorhandenen farbigen Linie. Unterschiedlich starke Einfärbungen dieser Markierung sind für Anwender jedoch nicht interpretierbar. Ein blasser Strich kann auch übersehen werden.

Quantitative Schnelltests sollen künftig genaue Diagnosen ermöglichen

Lassen sich dagegen genaue Konzentrationen bestimmter Moleküle in Probenflüssigkeiten feststellen, sind verlässliche Diagnosen möglich. Insbesondere für Prostatakrebs können solche quantitativen Methoden die Vor-Ort-Diagnostik erheblich verbessern. Das prostataspezifische Antigen (PSA) kann Hinweise auf Krebs liefern, wird jedoch stets vom Körper produziert. Für unter 50-Jährige liegt die PSA-Konzentration bei unter 2,5ng/ml (Nanogramm, also Milliardstel Gramm, pro Milliliter), bei über 70-Jährigen bei etwa 6,5ng/ml. Diese Werte können unabhängig vom Alter variieren und Entzündungen, mechanische Reizungen oder Krebs als Ursache haben. Wenn ein Karzinom wächst, steigt die individuelle PSA-Konzentration eines Patienten kontinuierlich an. Kann man also in regelmäßigen Abständen die PSA-Konzentration messen, ist eine zuverlässige Frühdiagnose und damit eine frühzeitige Therapie möglich.

Mikroelektronik zur Messung von Antigen-Konzentrationen bei Darm- und Prostatakrebs

Der biotechnologische Ausgangspunkt für das neue Testsystem ist vergleichbar mit dem der Teststreifen: Mit einer Antikörper-Antigen-Wechselwirkung sollen gezielt Analyten in einer Probe nachgewiesen werden, bei Prostatakrebs das PSA und bei Darmkrebs Hämoglobin. Um den diagnostischen Anforderungen gerecht zu werden, muss die Mikroelektronik äußerst geringe Antigen-Konzentrationen von unter einem Nanogramm pro Milliliter sicher und zuverlässig erkennen können. Das Mikroelektronik-basierte Messsystem muss dazu sehr schwache relative Lichtintensitätsunterschiede in Größenordnungen von 0,01 Bel bis 1 Bel optisch detektieren.

Das IMMS hat die technische Machbarkeit dieser Zielvorgaben für die Krebsdiagnostik grundsätzlich bewertet. Dafür wurde in einem ersten Schritt mit einem bereits vorliegenden, für den Nachweis von Infektionskrankheiten entwickelten Mikroelektronik-Chip untersucht, wie dieser mit Hilfe der integrierten Photodioden Helligkeitsunterschiede in Probenlösungen mit bekannten Teilchenkonzentrationen abbildet. Auf diesen Chip wurden Tetramethylbenzidin-Substrat-Lösungen (TMB) gegeben, die mit Meerrettich-Peroxidase-Enzym (HRP) angereichert wurden. Durch eine enzymatische Reaktion färbt sich die Flüssigkeit blau ein, je geringer die HRP-Konzentration, desto langsamer. Mit dem Chip wurde gemessen, wie sich die Reagenzien im Zeitverlauf durch die Verfärbung abdunkeln. Es wurden bereits geringste Mengen HRP nachgewiesen.

Dafür wurden verschiedene Lösungen angefertigt, die 0ng/ml, 0,2ng/ml, 1ng/ml und 5ng/ml HRP beinhalteten. Für jede Lösung wurde mit der Zugabe der definierten HRP-Menge ein Helligkeitswert pro Sekunde über eine Zeitspanne von 600 Sekunden aufgezeichnet. Mit den Messungen wurden Helligkeitsveränderungen im Zielbereich von 0,01 Bel bis 1 Bel nachgewiesen und die Unterschiede zwischen den Reaktionsverläufen der Lösungen grundsätzlich wie erwartet abgebildet. Aus diesen und weiteren Voruntersuchungen werden derzeit Korrelationen zu den Analytkonzentrationen für den Nachweis von PSA und Hämoglobin als Grundlage für das neue Chipdesign erarbeitet.

Einschätzung zum Zwischenstand des mobilen Mikroelektronik-basierten Testsystems

„Es konnte ein erstes mobiles Diagnostiksystem bereitgestellt werden, womit sich die bioanalytischen Messungen bei der Senova GmbH vor Ort durchführen ließen. Durch die sehr hohe Signalauflösung und präzise Signalerfassung ist klar geworden, dass eine einfache, schnelle und sichere Diagnostik von Krebserkrankungen und deren Monitoring möglich ist,“ so die Einschätzung von Dr. Friedrich Scholz, Senova Gesellschaft für Biowissenschaft und Technik mbH, zum Stand der Entwicklung. „Aktuell wird das System am Beispiel der Krebsdiagnose für Prostatakrebs und Darmkrebs erprobt. In Zukunft soll die Vielzahl der Detektoren auf dem Chip für eine multiparametrische Analyse nutzbar gemacht werden, um so die Krebsdiagnostik zuverlässiger und sicherer zu machen sowie ein individualisiertes Monitoring der Therapie zu erlauben.“