Tragbarer Biosensor erkennt Entzündungen im Mund auf molekularer Ebene
Forschende der Texas A&M University haben einen tragbaren, gewebeklebenden Biosensor entwickelt, der Entzündungsbiomarker im Mund mit molekularer Präzision nachweisen kann. Das System detektiert TNF-α im fg/mL-Bereich und könnte die Mundgesundheitsversorgung von reaktiven Behandlungen hin zu vorausschauender Diagnostik verlagern.
Forscherinnen und Forscher der Texas A&M University haben einen tragbaren, gewebeklebenden Biosensor entwickelt, der Entzündungsbiomarker im Mund mit molekularer Präzision nachweisen kann. Der Nachweis von Zahnfleischerkrankungen erfordert derzeit meist den Zahnarztstuhl und eine visuelle Untersuchung – Probleme werden dabei häufig erst erkannt, nachdem bereits Gewebeschäden begonnen haben.
Ein außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen entwickelte und testete einen mehrschichtigen Sensor, der in der feuchten Mundumgebung funktionieren und beim Sprechen und Essen an Ort und Stelle bleiben kann. Die spezialisierte Sensorschicht des Pflasters zielt auf das tumor necrosis factor-alpha (TNF-α)-Protein ab, einen wichtigen Biomarker für Entzündungen. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Die graphene-MXene-Sensorschicht kann spezifische Sonden binden, die ausschließlich an das Zielprotein andocken. Die Schicht besitzt eine inhärente Leitfähigkeit, und wenn Moleküle wie das Zielprotein binden, kann die Änderung der Ladung gemessen werden. Dies ermöglicht einen hochsensitiven Nachweis im Femtogramm-pro-Milliliter-Bereich (fg/mL).
Die Studie zeigt einen Nachweis bereits bei 18,2 fg/mL. Zur Einordnung: Eine Billiarde Femtogramm – das ist eine 1 mit 15 Nullen – entspricht gerade einmal 1 Gramm. Der Sensor konnte 100 bis 150 pro Milliliter detektieren; zum Vergleich: Bei einer Virusinfektion können Patientinnen und Patienten Symptome bei 10 Millionen oder 1 Milliarde Virus-Kopien pro Milliliter zeigen. Diese Sensitivität zu erreichen, kann schwierig sein – insbesondere dann, wenn auch unerwünschte Biomarker mitgemessen werden. Die äußeren Schichten tragen jedoch dazu bei, die Selektivität des Pflasters zu verbessern.
Das gewebeklebende Hydrogel umfasst zudem eine selektiv-permeable Hydrogel-Schicht, die hilft, unerwünschte Moleküle herauszufiltern. Ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Michigan State University half bei der Entwicklung des gewebeklebenden Hydrogels und des selektiv-permeablen Hydrogels. Die robuste Gewebehaftung verbessert ebenfalls die Genauigkeit der Sensorschicht.
Messungen können erheblich durch die dynamische Bewegung von Gewebe beeinflusst werden. Eine robustere Gewebebindung ermöglicht eine zuverlässigere Sensorleistung unabhängig von der Dehnung. Die selektiv permeable Schicht wirkt wie ein Gittergewebe und lässt nur Moleküle bestimmter Größe passieren. Chemische Wechselwirkungen zwischen der Schicht und Biomarkern könnten ebenfalls zur Selektivität beitragen.
Die Forschenden testeten systematisch einige Biomoleküle ähnlicher Größe. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Biomolekül und dem umgebenden Polymernetzwerk ergibt sich eine erhöhte Selektivität, die den Transport verschiedener Biomoleküle unterscheidet. Zukünftige Arbeiten sollen diese unterschiedlichen Interaktionen untersuchen, um möglicherweise spezifische Hydrogele zu konstruieren, die mit bestimmten Biomolekülen interagieren und so eine Vielzahl unterschiedlicher Biomarker adressieren.
Die Forschenden testeten das nichtinvasive Pflaster mit Unterstützung eines Regents' Professor aus dem Department of Microbial Pathogenesis and Immunology an der College of Medicine der Texas A&M University. In diesem Fall entschieden sich die Forschenden für Meerschweinchen, weil sie relativ leicht zu handhaben sind und eine Reihe ähnlicher Merkmale mit dem Menschen teilen – insbesondere im Hinblick auf orale Entzündungen.
Das TNF-α-Protein ist ein Zytokin, das nahezu immer an Entzündungen beteiligt ist, die mit Infektionen von Weichgewebe assoziiert sind. Ziel war es zu prüfen, ob ein solches System einen schnellen, patientennahen Nachweis (point-of-care) ermöglichen würde. Ein außerordentlicher Professor für Zahnmedizin an der University of Michigan erkannte die Bedeutung des TNF-α-Nachweises in der Mundhöhle und lieferte wertvolle Einblicke in Biomarker und Zahnerkrankungen.
Orale Infektionen können schwerwiegende Gesundheitsprobleme verursachen, etwa Zahnfleischerkrankungen und Zahnverlust, und können unbehandelt schwerer verlaufen. Die Möglichkeit, Infektionen schnell zu diagnostizieren, bevor Symptome auftreten, könnte die Mundgesundheitsversorgung von reaktiven Maßnahmen hin zu vorausschauendem Handeln verlagern.
Die Tiere in dieser Studie wurden ausschließlich eingesetzt, um zu zeigen, dass das Konzept funktioniert. Zukünftige klinische Studien an Tieren – und schließlich am Menschen – sind die nächsten Schritte für dieses System. Künftige Studien könnten diesen Biosensor-Typ aufgrund der Vielseitigkeit der verwendeten Materialien auch auf andere Körperregionen und auf andere Biomarker anpassen.