Gewissheit in nur 15 Minuten?

Graphenoxidbasierter Schnelltest zur Infektionserkennung

Forscher/-innen des Fraunhofer IZM entwickeln mit Projektpartnern eine handliche Sensorplattform auf Graphenoxidbasis, die es ermöglichen soll, in wenigen Minuten akute Infektionen wie eine Sepsis oder auch Antikörper gegen das Coronavirus zu detektieren.

Biosensoren

Fraunhofer- Forschende entwickeln Biosensoren, die auf Graphenoxid basieren und es ermöglichen, bakterielle und und virale Infektionen in nur 15 Minuten zu erkennen. | © Fraunhofer IZM / Volker Mai

Nicht nur die aktuelle Lage der COVID-19-Pandemie zeigt, wie wichtig es ist, Infektionen schnell und genau zu erkennen, sodass weitere Ansteckungen verhindert werden können. Für die Bestimmung von viralen oder bakteriellen Infektionen werden Diagnosen oft auf Basis von Symptomen aufgestellt. Hierbei können schnell Fehleinschätzungen geschehen, bewirken doch einige Infektionen ähnliche Krankheitsverläufe. Bluttests geben zwar Gewissheit, werden jedoch erst auf Verordnung des Hausarztes in Laboren durchgeführt. Bis die Ergebnisse der Analyse eintreffen, wird oftmals schon ein möglicherweise nicht notwendiges Antibiotikum verordnet.

Ein Tropfen Blut genügt für die Diagnose

Seit April 2018 arbeiten Forscher und Forscherinnen des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin in dem Projekt Graph-POC an einer graphenoxidbasierten Sensorplattform, die genau diese Herausforderungen bei der Diagnose von Infektionen lösen soll. Nur ein Tropfen Blut bzw. Speichel soll notwendig sein, um eine exakte Analyse durchzuführen. Der Tropfen werde auf die Sensoroberfläche gegeben, und binnen weniger Minuten erscheine ein über elektrische Signale vermitteltes Ergebnis – beim Hausarzt vor Ort, so die Wissenschaftler. Langwierige Laboruntersuchungen des Blutes würden somit laut Forscher/-innen durch einen Schnelltest ersetzt, der innerhalb von nur 15 Minuten Gewissheit bieten soll. Eine entsprechende Behandlungsform oder passende Antibiotika könnten anschließend verschrieben werden.

Antikörper ebenfalls im Blick

Auch bei einer schon durchgestandenen Infektion könne der Test auf eine Antikörpererkennung ausgelegt werden. Um vorangegangene Infektionen mit dem COVID-19-Virus erkennen zu können und somit zum Beispiel Infektionswege nachweisen zu können, fokussieren sich die Forscher/-innen des Fraunhofer IZM aktuell auf diese Anwendung. Da der menschliche Körper während einer Infektion bestimmte Moleküle oder Proteine ausbildet, die als Biomarker genutzt werden können, werden auf der Sensoroberfläche der graphenoxidbasierten Plattform Fängermoleküle platziert, um diese zu erkennen. Ob eine Infektion vorhanden sei, werde dann anhand von Differenzmessungen zur Konzentration der Biomarker festgestellt.

Graphenoxid in 3-D-Struktur in Form von Flocken

Die Besonderheit der Sensorplattform ist das verwendete Material: Graphenoxid zeichnet sich besonders dadurch aus, dass es ein elektrisch leitfähiges und biokompatibles Material ist und eine besonders zuverlässige Detektion zulässt. In der Mikroelektronik wurde es bisher nur in seiner ursprünglichen 2-D-Form verwendet. Die Forscher/-innen des Fraunhofer IZM bringen es jedoch nun in einer 3-D-Struktur in Form von Flocken auf. Diese dreidimensionale Form vergrößere die Messfläche und auch die Genauigkeit der Messungen, betonen die Wissenschaftler.

Corona-Anwendung hat Priorität

Manuel Bäuscher, Wissenschaftler am Fraunhofer IZM und Teilprojektleiter des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts Graph-POC, sieht große Perspektiven in den Graphenoxid-Sensoren: „Vom aktuellen medizinischen Bereich können wir uns auch zum sogenannten Point of Need entwickeln, also hin zur Umwelttechnik und der Detektion von Umwelteinflüssen. Erst einmal hat aber natürlich die Corona-Anwendung Priorität.“ Durch die 3-D-Anordnung der Graphenoxid-Flocken und die daraus resultierende Empfindlichkeit eröffnen sich auch weitere Anwendungen. So könnten beispielsweise schädliche Gase wie Kohlenstoffmonoxid oder Aceton sogar bei Raumtemperatur erkannt werden. Für aktuelle Sensoren dieser Art müssen die Gase zunächst erhitzt werden, damit eine Oberflächenreaktion stattfinden kann. Durch die Verbindung der Metalloxide mit der sensitiven Oberfläche des Graphen-Sensors reagiere dieser aber bereits bei niedrigeren Temperaturen.

Antikörperdetektion nach Coronavirusinfektion in etwa einem Jahr?

Um den Herstellungsprozess für die Massenproduktion zu skalieren, nehmen sich die Forscher/-innen des Fraunhofer IZM einer weiteren Herausforderung an: Die Beschichtung mit Graphenoxid soll auf Wafer-Ebene passieren, sodass hunderte Chips auf einmal bearbeitet werden könnten.

Bis die Schnelltests für die Anwendung bereit sind, müssen die graphenoxidbasierten Sensoren in einen Kunststoff-Träger eingebettet und die Zuverlässigkeit des Systems getestet werden. Regulär läuft das Projekt zwar bis zum Frühling 2021 in Hinblick auf die Detektion von Infektionen, jedoch rechnen die Wissenschaftler damit, dass eine Verifizierung des Sensors mit Bezug auf das Coronavirus erst in einem Jahr stattfinden kann. Beteiligte Projektpartner sind die Charité, Aptarion Biotech AG, die Technische Universität Berlin, MicroDiscovery GmbH und alpha-board GmbH. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF.


Quelle: idw/Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM