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Licht von bestimmter Wellenlänge leuchtet Probe aus

Die farbige Lösung mit sekundären Antikörpern, die nicht an die Oberfläche gebunden sind, wird mit einer Waschlösung weggespült. Die festgehaltenen farbigen Antikörper verändern die optische Dichte, die mit dem ASIC detektiert und ausgewertet wird (D). Hierfür wird zuerst die Lichtintensität vor der Reaktion gemessen und danach, wie stark das Licht durch die Farbmenge gedämpft wird. Aus den beiden Messwerten wird ein logarithmisches Verhältnis gebildet. Die für eine Diagnose erforderliche Messgenauigkeit soll im Bereich von 0,01 bis 1 Bel liegen.

Die Reaktionen und Messungen sollen in einem kompakten und mobilen Gerät stattfinden. Dieses soll man per Standardschnittstelle an Rechner oder Laptop anschließen können, wo sich mit einer Software der Test steuern, die Daten anzeigen und weiterverarbeiten lassen. Die Probe wird in die Reaktionskammer über dem ASIC gegeben und mechanisch sowie elektrisch mit dem System verbunden.

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Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen in einem festen Abstand zum Chip ein homogenes Licht, das in konstanter Intensität über die Zeit die Probe ausleuchtet. Mit dem Gerät sollen Ärzte ohne Umweg ins Labor zuverlässig messen können, um Diagnosen zu stellen. Um Krebs in einem sehr frühen Stadium feststellen zu können, muss die Mikroelektronik sehr geringe Antigen-Konzentrationen von etwa einem Nanogramm pro Milliliter erkennen können, die sehr schwache relative Lichtintensitätsunterschiede in Größenordnungen von den oben genannten 0,01 bis 1 Bel verursachen.

In einem ersten Schritt hat das IMMS mit einem bereits vorliegenden ASIC untersucht, wie dieser Helligkeitsunterschiede in Probenlösungen mit bekannten Teilchenkonzentrationen abbildet. Dieser für Forschungszwecke relativ groß gehaltene Chip war ursprünglich für den Nachweis von Infektionskrankheiten und damit für andere Randbedingungen entwickelt worden. Im ASIC ist unter anderem eine 6x7-Photodioden-Matrix enthalten. Damit lassen sich parallel verschiedene Krankheitserreger durch die Messung von Lichtunterschieden detektieren.

Der ASIC misst ganz unterschiedliche Helligkeiten

Das optische Prinzip für die Signalwandlung des Forschungs-Chips soll auf die Krebsdiagnostik übertragen und in einem neuen ASIC-Design schaltungstechnisch auf die spezifischen Anforderungen ausgelegt werden. Auf diesen Chip wurden Tetramethylbenzidin-Substrat-Lösungen (TMB) gegeben, die mit Meerrettich-Peroxidase-Enzym (HRP) angereichert wurden. Durch chemische Reaktionen färben sich die Flüssigkeiten blau ein. Mit den ASICs wurde gemessen, wie sich die Reagenzien im Zeitverlauf durch die Verfärbung abdunkeln. Für die Untersuchungen wurde der Nachweis verschiedener Analytkonzentrationen simuliert, um das elektronische System zu prüfen.

Für jede Lösung wurde mit der Zugabe der definierten HRP-Menge ein bestimmter Helligkeitswert pro Sekunde über eine Zeitspanne von 600 Sekunden aufgezeichnet. Mit den Messungen wurden Helligkeitsveränderungen im Zielbereich von 0,01 bis 1 Bel nachgewiesen und die Unterschiede zwischen den Reaktionsverläufen der zunächst höher konzentrierten Lösungen grundsätzlich wie erwartet abgebildet. Aus diesen und weiteren Voruntersuchungen sollen später Korrelationen zu den Analytkonzentrationen für den Nachweis von PSA und Hämoglobin erarbeitet werden.

Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2015 FE 9159 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.

Referenzen

[1] https://www.krebshilfe.de/informieren/ueber-krebs/was-ist-krebs/

[2] im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung, http://www.krebsdaten.de/Krebs/DE/Content/Krebsarten/Krebs_gesamt/krebs_gesamt_node.html

[3] http://www.darmkrebs.de/ueberblick/

[4] http://www.krebsdaten.de/Krebs/DE/Content/Krebsarten/Prostatakrebs/prostatakrebs_node.html

[5] Mikroelektronische Diagnostik-Plattformen für die personalisierte Krebsforschung und Mikro-Bioreaktoren. www.imms.de/lifesciences.

* Alexander Hofmann, Michael Meister, Dr. Balázs Németh und Dr. Susette Germer arbeiten am IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme, Ilmenau/Erfurt. Dr. Friedrich Scholz arbeitet bei Senova Gesellschaft für Biowissenschaft und Technik mbH, Weimar.

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