Sensortechnik – Biosensoren
Das Labor in der Westentasche
Die molekulare Diagnostik gewinnt für die Erkennung von Krankheiten immer mehr an Bedeutung. Die neue Technologieplattform quicklab und moderne Biosensoren verkürzen, vereinfachen und verbilligen viele medizinische Tests.
DNS-Analyse mittels quicklab: Das kleine Bild zeigt die Vision eines künftigen Schnelltests, das große Bild das Labormuster mit verschiedenen Kanälen und Reaktionskammern
Die Nase läuft, man hustet, fühlt sich schlapp und hat Fieber. Eine gefährliche Grippe oder nur eine Erkältung? Das kann oft nur eine Laboruntersuchung klären – allerdings vergehen durchschnittlich zwei Tage vom Probentransport ins Labor bis zur Übermittlung des Befundes an den Arzt. Dadurch verzögert sich der Therapiebeginn, und das kann bei Virusinfektionen entscheidend sein.
"Unser quicklab-System braucht für eine Untersuchung nur eine knappe Stunde", sagt Dr. Walter Gumbrecht, Experte in der Abteilung Power & Sensor Systems von Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen, "und sogar diese Zeit werden wir noch weiter verkürzen können". Quicklab ist ein neues Molekulardiagnostiksystem, mit dem Hausärzte in Zukunft Schnelltests in ihrer Praxis durchführen können. Es eignet sich sowohl für Erbsubstanz (DNS) wie für Proteine – ideal für ein breites Anwendungsspektrum: So lassen sich damit Erreger von Infektionskrankheiten ebenso aufspüren wie Allergien, Erbkrankheiten und Unverträglichkeiten gegenüber Medikamenten oder bei Transplantationen. Für jede medizinische Fragestellung wird es eigene Schnelltests geben. Den Grundstein zu quicklab legte das SiBAnaT-Projekt (Silizium-Chipsystem für die biochemische Analysentechnik) des deutschen Forschungsministeriums in den Jahren 2000 bis 2003, an dem neben Siemens auch das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) sowie Infineon, das Biotech-Unternehmen november und der Laborgerätehersteller Eppendorf beteiligt waren.
Den hohen Wert der Innovation erkannte auch die Jury für den "Preis des deutschen Bundespräsidenten für Technik und Innovation" an: Für das "Labor auf dem Chip – elektrische Biochiptechnologie" wurden das ISIT, Siemens und Infineon für den Deutschen Zukunftspreis 2004 nominiert.
Alles auf einer Karte. Herz der Siemens-Entwicklung quicklab ist ein Minilabor im Scheckkartenformat, das aus einem Tropfen Blut oder anderen Körperflüssigkeiten automatisch die DNS oder Proteine extrahiert und die diagnostische Information als elektrisches Signal ausgibt. "In den vergangenen Monaten haben wir vor allem die DNS-Analytik vorangetrieben", sagt Gumbrecht. Dazu hat seine Arbeitsgruppe ein Mikrofluidiksystem aus Kanälen, Kammern und Pumpen entwickelt: Kapillarkräfte saugen einen Mikroliter eines injizierten Bluttropfens in einen Kanal. Hinzuge- pumptes Wasser löst dort bereits vorhandene Chemikalien auf, die die Zellen in Minutenschnelle aufbrechen. Erneut hineingepumptes Wasser spült die Bestandteile durch eine Kammer, in der die DNS festgehalten wird. Dort wird die winzige Ausgangsmenge der DNS vervielfältigt und mit Biotin-Molekülen markiert. Anschließend gelangt die DNS in eine Kammer, in der sich der Biosensor befindet.
"Wir haben bestehende Technologien zu einer innovativen Plattform kombiniert", erklärt Dr. Siegfried Birkle, Leiter der Abteilung Power & Sensor Transducer-Systems. So ist es gelungen, alle Enzyme und Reagenzien in getrockneter Form an den Innenwänden der Reaktionsräume zu platzieren. Der Grund: Bei Zimmertemperatur müssen die quicklab-Karten mindestens ein halbes Jahr lagerfähig sein. Nur dann kann sie der Hausarzt stets auf Vorrat halten. "Das System ist auf Wirtschaftlichkeit ausgelegt", sagt Birkle. Die nicht wiederverwendbaren Karten werden nur den Bruchteil einer Untersuchung im Fachlabor kosten.
Aus dem gleichen Grund setzen die Forscher, wo immer es geht, auf vorhandene Technologien. Sie verwenden zum Beispiel die Goldkontakte einer herkömmlichen Chipkarte als Elektroden. Denn Gold bildet die ideale Unterlage für die Fängermoleküle: Das sind synthetisch hergestellte Biomoleküle, die gezielt spezifische DNS-Abschnitte oder Proteine aus der Probe herausfischen. Über die Bindung von Enzymen und die Zersetzung eines Substrats entsteht letztlich ein Stromfluss, den die Forscher mit einem Auslesegerät erfassen können (siehe Kasten unten).
Das System ist so empfindlich, dass sich sogar kleinste Abweichungen in den Genen feststellen lassen. Bei einer DNS-Untersuchung passen Fängermolekül und Proben-DNS zueinander wie Schlüssel und Schloss. "Wenn wir die Temperatur langsam erhöhen, bleiben die exakt passenden Moleküle länger miteinander verbunden als die, die sich in einem Baustein unterscheiden", erklärt Gumbrecht. Die Untersuchung solcher Einzelmutationen, die bei vielen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen, gelang bisher nur mit teuren Laborgeräten.
Keine teure Optik erforderlich. Entscheidend für die kompakte und preiswerte Bauweise ist die elektrische Detektion. Mit deren Hilfe können die Forscher auf die Lichtquellen, Linsen und Filter einer herkömmlichen optischen Detektion verzichten, bei der die Biomoleküle mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert sind. "In etwa einem Jahr werden wir einen Prototypen haben", sagt Gumbrecht. Bis dahin will er das System anwenderfreundlicher machen, die Probenaufnahme vereinfachen und die Miniaturisierung weiter vorantreiben.
Der Fänger im Chiplabor
Wenn sich in der Probe die gesuchte DNS-Sequenz befindet, bindet diese an das Fängermolekül auf der Goldelektrode. An die mit Biotin (B) markierte DNS dockt das Enzym alkalische Phosphatase (Str/E) an, das aus dem Substrat S ein Molekül P freisetzt. P gibt an der positiven Elektrode zwei Elektronen ab. Danach wandert es zur negativen Elektrode, nimmt wieder zwei Elektronen auf und pendelt zurück zur positiven Elektrode. Wegen dieser Wanderung von P fließt ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden – dies ist der eigentliche Nachweis dafür, dass eine passende DNS-Sequenz gefunden wurde. Andernfalls kommt es nicht zur Paarung der DNS mit dem Fängermolekül, es wird kein Substrat umgesetzt und daher auch kein Strom gemessen.
In ferner Zukunft wird das Kartenlesegerät womöglich ganz überflüssig, weil es durch einen hochintegrierten Chip ersetzt werden könnte: mit elektronischer Auswerteeinheit, Sensoren für verschiedene Fragestellungen und organischen LED, die das Ergebnis direkt auf der Karte anzeigen. Gumbrechts Vision: Ähnlich wie Diabetiker heute zu Hause ihre Werte messen, könnten Patienten künftig per Schnelltest den Therapieverlauf ihrer Krankheit kontrollieren. Ein Daumendruck auf einen feinen Stachel auf der Karte würde genügen, um eine Analyse des Blutstropfens zu starten.
Dr. Mohammad Naraghi, bei Siemens Medical Solutions für die Geschäftsentwicklung verantwortlich, lotet bereits erste Anwendungen aus. Er ist vom System überzeugt. "Tropfen rein und Information raus", sagt Naraghi, "einen solch umfassenden integrierten Ansatz hat bisher noch niemand erfolgreich gemacht – er ist aber die Vision, die wir alle verfolgen."
Michael Lang
DNS wiegen – Vibrationen verraten Krankheiten
(Links) Eine Mikropipette scheidet einen Nanoliter einer Biomoleküllösung auf ein Sensor-Array ab. (Rechts) Eine Aufdampfanlage für die Piezoschicht des Sensors
Kompatibel zum System quicklab und auch elektrisch auslesbar ist der Mikrowaagen-Sensor, den Dr. Reinhard Gabl von der Abteilung Materials & Microsystems bei Siemens Corporate Technology (CT) in München entwickelt. Im Unterschied zum elektrochemischen Sensor erfolgt hier die Übersetzung in ein elektrisches Signal nicht über eine enzymatische Reaktion. Das zu detektierende Molekül muss daher auch nicht extra markiert werden, was den Sensor preiswerter macht. Die Fängermoleküle sitzen auf einer schwingenden Unterlage, dem eigentlichen Sensorelement. Durch das Andocken einer DNS- oder Proteinprobe ändert sich die Frequenz dieses Schwingers. "Wir registrieren damit gewissermaßen die Gewichtsänderung durch die angedockten Moleküle", erklärt Gabl. Der Sensor ist aus mehreren Schichten aufgebaut (Grafik). Die Grundschwingung entsteht in einer Piezokeramik mit Hilfe einer elektrischen Wechselspannung. Die Oberfläche ist mit einer hauchdünnen Goldschicht überzogen, "denn für Gold gibt es eine etablierte Kopplungs-Chemie", sagt Dr. Hans-Dieter Feucht von den Erlanger CT-Labors. Feucht sorgt dafür, dass die Fängermoleküle punktgenau an der Oberfläche des Sensors andocken. Das erfordert einige Tricks, denn die Moleküle befinden sich in einer Lösung. Damit sie auf dem Sensor nicht zerfließen, hat Feucht auf dessen Oberfläche 10 µm hohe Kunststoffringe anbringen lassen. Hier hinein injiziert ein Pipettierroboter ein paar Milliardstel Liter der Fängermoleküllösung (Bild oben links) – unterstützt von Kameras mit automatischer Bildverarbeitung. Dank seiner hohen Arbeitsfrequenz ist der Sensor empfindlicher als herkömmliche Piezoschwinger. Er kommt daher mit sehr kleinen Messflächen aus, was ihn billiger macht. "In frühestens drei Jahren kommt er in die Produktentwicklung", schätzt Gabl. Bis dahin muss der Forscher noch einen so genannten Scherschwinger entwickeln. Denn zur Zeit schwingt der Sensor noch einfach nach oben und unten, was bei Messungen in Flüssigkeiten eine starke Dämpfung verursacht. "Der künftige Scherschwinger hingegen wackelt wie ein Pudding", erklärt Gabl, "das reduziert die Dämpfung."
Prinzip des Mikrowaagen-Sensors: Eine elektrische Spannung versetzt die Piezoschicht und damit den Resonator in Schwingungen. Wenn ein Zielmolekül nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an ein Fängermolekül bindet, verändert es durch sein Gewicht die Resonanzfrequenz. Diese Änderung wird in ein elektrisches Signal übersetzt und weiterverarbeitet
