Ziel: Quantitative Schnelltests für die Diagnostik von Prostatakrebs

Zur Diagnostik von Prostatakrebs wird für die Früherkennung, für Abklärungs­untersuchungen, das Monitoring von Therapien und in der Nachsorge unter anderem die Konzentration des prostataspezifischen Antigens (PSA) bestimmt. Wenige Nanogramm pro Milliliter (ng/ml) PSA geben Hinweise darauf, ob und wie weitere Untersuchungen und Behandlungen erfolgen sollten. Erhöhte PSA-Werte können auf Krebs bzw. auf dessen erneutes Auftreten hindeuten. Für einen PSA-Test wird beim Arzt Blut abgenommen und ins Labor geschickt. Meist liegt erst einige Tage später die PSA-Konzentration als Ergebnis vor. Um zeit- sowie kostenaufwändige Laboruntersuchungen mit großen und komplexen Geräten zu vermeiden und die häufig auch psychisch belastenden Wartezeiten für Patienten zu minimieren, wird nicht nur für PSA-Messungen an immer neuen kompakten sowie preiswerten Point-of-Care-Lösungen (PoC) gearbeitet.

Diese basieren in vielen Fällen auf Streifentests, mit denen Ärzte direkt in ihrer Praxis aus mehr oder weniger intensiven und durch biochemische Reaktionen hervorgerufenen Farbumschlägen Konzentrationen ableiten können. In den letzten Jahren haben sich für die Messung dieser Konzentrationen PoC-Geräte etabliert, die dafür z.B. Helligkeitssensoren oder eine Kamera nutzen.

Diese Geräte haben allerdings noch den Nachteil, dass sie ungenau im Vergleich zu Laboruntersuchungen sind. Im Fall von PSA-Messungen sehen die Vorgaben der Richtlinie der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung laboratoriumsmedizinischer Untersuchungen Rili-BÄK neben einer Nachweisgrenze von 0,2 ng/ml auch einen Messbereich bis zu 50 ng/ml vor sowie für sichere Aussagen einen Variationskoeffizienten von maximal 15,5 %. Mit Messungen an im Projekt für Referenzzwecke entwickelten PSA-Streifentests mit einem PoC-Lesegerät konnten diese Vorgaben allerdings nicht erreicht werden.

Mikroelektronik-basierter Demonstrator misst weniger als ein Nanogramm pro Milliliter PSA

Das IMMS hat im Projekt INSPECT ein Photometer in Form eines mobilen Lesegeräts mit einem auswechselbaren opto-elektronischen CMOS-Biochip erarbeitet und als Demonstrator aufgebaut. Statt der bislang in einigen PoC-Geräten genutzten Teststreifen mit Kamera-basierter Auswertung wird eine Probe direkt auf den Mikroelektronik-Chip gegeben und die biochemische Reaktion ohne Abstände zwischen Probe und Lichtdetektor gemessen. Der Projektpartner Senova Gesellschaft für Biowissenschaft und Technik mbH hat die biochemische Funktionalisierung der Chip-Oberflächen mit immobilisierten Antikörpern für PSA vorgenommen und Messungen mit Proben unterschiedlicher PSA-Konzentrationen mit dem Prototyp durchgeführt. Liegt PSA in der Probe vor, wird es mit biochemischen Reaktionen nachgewiesen, die je nach Konzentration die Probe unterschiedlich stark einfärben und als Helligkeitsunterschiede opto-elektronisch gemessen werden.

Senova und IMMS ist es damit erstmals gelungen, PSA auf einem CMOS-Biochip mit einer Detektionsgrenze von 0,1 ng/ml quantitativ nachzuweisen. Die Messungen erfüllen die für klinische PSA-Tests gemäß Rili-BÄK erforderlichen Vorgaben. Der Test mit dem CMOS-Biochip-System benötigt insgesamt 14 Minuten, die Ergebnisse werden digital bereitgestellt und können direkt über ein an das Gerät angeschlossenen PC weiterverarbeitet werden.

Für den Test und die Charakterisierung der entwickelten integrierten Schaltungen wurden die modularen und mobilen Testsysteme des IMMS eingesetzt und weiterentwickelt.