Lichtbasierter Sensor erkennt Krebs-Biomarker in Blutproben bei extrem niedrigen Konzentrationen

Forscher haben einen hochsensitiven lichtbasierten Sensor entwickelt, der extrem niedrige Konzentrationen von Krebs-Biomarkern im Blut nachweisen kann. In einer in der Fachzeitschrift Optica veröffentlichten Studie waren die Sensoren in der Lage, einen Lungenkrebs-Biomarker in Blutproben selbst dann aufzuspüren, wenn nur wenige Moleküle vorhanden waren. Das deutet auf Potenzial für die Früherkennung von Krebs hin, wenn Biomarker-Spiegel so niedrig sind, dass sie mit herkömmlichen Methoden nicht gefunden werden können.

Der Sensor erkannte Lungenkrebs-Biomarker aus Patientenproben im sub-attomolaren Bereich und erzeugte ein klares Signal, selbst wenn in einer Probe nur wenige Moleküle vorhanden waren. Biomarker wie Proteine, DNA oder andere Moleküle können genutzt werden, um das Vorhandensein, den Verlauf oder das Risiko von Krebs und anderen Erkrankungen anzuzeigen. Eine der größten Herausforderungen der frühen Krankheitsdiagnostik ist jedoch die extrem niedrige Konzentration von Biomarkern zu Beginn.

„Unser Sensor kombiniert aus DNA hergestellte Nanostrukturen mit Quantenpunkten und CRISPR-Genediting-Technologie, um schwache Biomarker-Signale mit einem lichtbasierten Ansatz nachzuweisen, der als Erzeugung der zweiten Harmonischen (second harmonic generation, SHG) bekannt ist“, sagte der Leiter des Forschungsteams von der Shenzhen University in China. „Wenn sich dieser Ansatz bewährt, könnte er dazu beitragen, Krankheitsbehandlungen zu vereinfachen, die Überlebensraten potenziell zu verbessern und die gesamten Gesundheitskosten zu senken.“

Die Sensoren bestehen aus einer flachen Schicht Molybdändisulfid, einem halbleitenden Material mit idealen Eigenschaften zur Unterstützung von SHG – einem optischen Phänomen, bei dem sich die Wellenlänge des einfallenden Lichts halbiert. Der neue Sensor basiert auf SHG, einem nichtlinearen optischen Prozess, bei dem einfallendes Licht in Licht mit halber Wellenlänge umgewandelt wird.

Mithilfe von pyramidenförmigen DNA-Nanostrukturen befestigten die Wissenschaftler Quantenpunkte an genau definierten Positionen auf der Sensoroberfläche und erhöhten dadurch die Stärke des erzeugten SHG-Signals. Die Forscher verwendeten DNA-Tetraeder – selbstassemblierende, pyramidenartige Nanostrukturen, die vollständig aus DNA bestehen –, um winzige Quantenpunkte in präzisen Abständen von der MoS₂-Oberfläche zu verankern. Die Quantenpunkte verstärken das lokale optische Feld und damit das SHG-Signal.

Mit CRISPR lässt sich der Sensor so programmieren, dass er jedes gewünschte Ziel erkennt. Sie setzten CRISPR-Cas-Genediting ein, um spezifische Biomarker nachzuweisen. Wenn das für CRISPR verwendete Cas12a-Protein einen Ziel-Biomarker erkennt, schneidet es die DNA, die die Quantenpunkte an Ort und Stelle hält – was einen messbaren Abfall des SHG-Signals verursacht. Da das SHG-Signal nur minimales Hintergrundrauschen aufweist, können selbst sehr niedrige Biomarker-Konzentrationen detektiert werden.

„Anstatt DNA nur als biologische Substanz zu betrachten, nutzen wir sie als programmierbare Bausteine, mit denen wir die Komponenten unseres Sensors mit Präzision im Nanometerbereich zusammensetzen können“, sagte der Teamleiter. „Durch die Kombination nichtlinearer optischer Sensorik, die Hintergrundrauschen effektiv minimiert, mit einem verstärkungsfreien Design bietet unsere Methode eine besondere Balance aus Geschwindigkeit und Präzision.“

Im Gegensatz zu konventionellen Nachweismethoden, die eine Amplifikation des DNA- oder RNA-Ziels erfordern, um ein ausreichend starkes Signal zu erhalten, können diese Quantensensoren ihr Ziel selbst bei extrem niedrigen Konzentrationen direkt nachweisen. Der Nachweis von Biomarkern erfordert normalerweise die Amplifikation kleinster Molekülmengen – ein Prozess, der zeitaufwendig und kostspielig sein kann. Diese Technologie könnte Arbeitsabläufe daher deutlich beschleunigen und erschwinglicher machen sowie potenzielle Fehler vermeiden, die durch komplexe Amplifikations-Workflows entstehen.

Die Forscher testeten ihr Sensordesign, indem sie es so programmierten, dass es miR-21 nachweist, einen MikroRNA-Biomarker, der mit Lungenkrebswachstum und Metastasierung in Verbindung steht. Nachdem sie verifiziert hatten, dass der Marker in einer einfachen Pufferlösung nachweisbar ist, zeigten sie außerdem, dass sich der Biomarker in menschlichem Serum von Lungenkrebspatienten nachweisen lässt – als Simulation eines realen Bluttests.

„Der Sensor funktionierte außergewöhnlich gut und zeigte, dass die Integration von Optik, Nanomaterialien und Biologie eine wirksame Strategie sein kann, um ein Gerät zu optimieren“, sagte der Teamleiter. „Der Sensor war zudem hochspezifisch – er ignorierte andere ähnliche RNA-Stränge und erkannte ausschließlich das Lungenkrebs-Ziel.“

Die Nachweistechnik wurde programmierbar ausgelegt, was es ermöglichen könnte, Viren, Bakterien oder Umwelttoxine sowie verschiedene Biomarker nachzuweisen, etwa solche, die mit der Alzheimer-Krankheit in Zusammenhang stehen.

„Für die Früherkennung verspricht diese Methode, einfache Blut-Screenings auf Lungenkrebs zu ermöglichen, bevor ein Tumor möglicherweise in einer CT-Aufnahme sichtbar wäre“, sagte der Teamleiter. „Sie könnte zudem personalisierte Behandlungsoptionen voranbringen, indem Ärzte die Biomarker-Spiegel eines Patienten täglich oder wöchentlich überwachen können, um die Wirksamkeit von Medikamenten zu beurteilen, statt Monate auf Bildgebungsergebnisse zu warten.“

Als Nächstes plant das Team, das Sensordesign weiter zu verbessern und zu verkleinern – mit dem übergeordneten Ziel, ein tragbares Gerät zu entwickeln, das sowohl in klinischen Umgebungen als auch an abgelegenen Orten leicht eingesetzt werden kann, um die Früherkennung von Krebs zu unterstützen. Die Forscher wollen sich auf die Miniaturisierung des optischen Aufbaus konzentrieren. Ihr Ziel ist es, daraus ein tragbares Gerät zu machen, das am Krankenbett, in Kliniken oder sogar in abgelegenen Regionen mit geringer Ressourcenausstattung eingesetzt werden könnte.