Tragbare Blutuntersuchung

Das Blut des Menschen kann Ärzten viel über seinen Gesundheitszustand verraten. Um Moleküle wie Hormone oder für Krebs typische Proteine aufzuspüren, nutzt man bislang aber zeitraubende und nicht ganz billige Verfahren, die nur in Laboren durchgeführt werden können. Das Labor auf einen Chip zu verkleinern und die Diagnose in kurzer Zeit zu erhalten, ist deshalb ein Forschungsziel, an dem viele Gruppen weltweit arbeiten. So auch das europäische Forschungsprojekt Nemoslab: Es hat ein Diagnose-Werkzeug entwickelt, das optische Detektoren und Mikrofluidik auf einem Chip miteinander kombiniert.

Das Besondere an dem Gerät: Um die optischen Signale auszulesen, sind keine teuren und großen Spezialgeräte wie Fluoreszenz-Mikroskope nötig. Die Signale werden stattdessen direkt auf dem Chip in elektrische umgewandelt.

„Die Idee war, einen kleinen Chip zu entwickeln, der den Auslesemechanismus schon an Bord hat und eine gewisse Zahl von Biomolekülen erkennen kann“, sagt Konstantinos Misiakos, Leiter des Projekts vom Nationalen Forschungszentrum Demokritos bei Athen. Das vor einem Monat abgeschlossene Projekt wurde von der EU und einem Konsortium gefördert, an dem unter anderem das Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK der Uni Freiburg, die Uniklinik Münster und das Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik in St. Ingbert beteiligt waren.

Die Sensorik ist in einem schmalen Kanal in dem Siliziumchip untergebracht. Der Kanal hat insgesamt neun Windungen, in denen sich jeweils ein acht Miktometer breiter Siliziumnitrid-Wellenleiter befindet. Durch diese Wellenleiter wird Licht aus einer Leuchtdiode zu einem Photodetektor gelenkt. Die Oberflächen der Wellenleiter werden mit verschiedenen Biomolekülen wie Antikörpern oder kurzen DNS-Strängen beschichtet, die als Sonden dienen und sich mit den gesuchten Molekülen – im Projekt waren es Hormone – verbinden können.

Fließt Blutserum durch den gewundenen Kanal, ziehen die Sondenmoleküle die Hormone aus der Flüssigkeit. Weil sich dadurch die Oberflächenstruktur der Wellenleiter ändert, entstehen in der Molekülschicht so genannte evaneszente Felder, die die Intensität des Lichts abschwächen. Dieser Effekt wird im Photodetektor registriert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Neun verschiedene Hormone kann der derzeitige Prototyp so auf einmal nachweisen.

„Das Potenzial dieses Ansatz ist beeindruckend“, findet Michael McAlpine, Chemiker an der Princeton University. Zwar erreicht der Nemoslab-Chip nicht die Empfindlichkeit anderer Sensoren. „Für medizinische Aussagen ist aber nicht unbedingt entscheidend, dass einzelne Moleküle nachgewiesen werden können, sondern zum Beispiel eine bestimmte Hormon-Mischung“, erläutert Andreas Schroth vom Freiburger IMTEK. Das ist etwa im Vorlauf zu einer In-Vitro-Befruchtung der Fall.

Derzeit werde das Projekt für die EU ausgewertet und die Weiterentwicklung des Chips geplant, sagt Konstantinos Misiakos. Eine Möglichkeit sei, den Wellenleiter länger zu machen, um damit das optische Signal zu verstärken. Zudem wolle man künftig auch unpräparierte Blutproben, in denen sich noch Zellen befinden, auf dem Chip nutzen können. Bislang kann nur Blutserum verarbeitet werden. Sollte der Prototyp irgendwann in die Produktion gehen, könnte er in Silizium-verarbeitenden Fertigungsstätten für ein Euro pro Stück hergestellt werden, sagt Misiakos. (nbo)