Rapid and quantitative immunoassay for multiplexed and highly sensitive point-of-care diagnostics using rationally designed, self-assembled, SERS-active 3D superstructures
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein empfindlicher, quantitativer, schneller und waschfreier Test (Assay) für den gleichzeitigen optischen Vor-Ort-Nachweis mehrerer Proteine mit Hilfe von Goldnanopartikel-markierten Antikörpern entwickelt. Die möglichst signalstarken und lichtstabilen Goldnanopartikel werden dabei nach Laseranregung mittels inelastischer Lichtstreuung von Raman-Reportermolekülen auf der Metalloberfläche ausgelesen (SERS, surface-enhanced Raman scattering). Wir konnten einzelne Goldnanopartikel (Kern/Satelliten-Partikel) mittels SERS nachweisen und ihre Signalstärke durch Computersimulationen auch theoretisch bestätigen. Die Immobilisierung der nachzuweisenden Zielproteine in dem Assay kann mit Hilfe von magnetischen Kügelchen oder mit Hilfe von Teststreifen mit Fängerlinien erfolgen. Der ursprüngliche geplante Einsatz von magnetischen Kügelchen wurde aufgrund unspezifischer Bindungen und ihres störenden Raman-Eigensignals verworfen. Anstelle dessen wurden entsprechende Teststreifen (LFA. lateral flow assay), bei denen diese Probleme nicht auftraten, eingesetzt. Zytokine wie das Interleukin 8 wurden in sehr geringen Konzentrationen von wenigen pg/mL nachgewiesen. In einem Multiplex-Ansatz mit mehreren Zytokinen (Interleukine 1 beta, 4, 6 und 8 sowie Interferon gamma) konnte die Machbarkeit für den gleichzeitigen, empfindlichen Protein-Nachweis mittels SERS demonstriert werden. Neben den Reagenzien für den SERS-basierten Assay wurden auch Prototypen für mobile SERS-Auslesegeräte (SERS reader) zum Vor-Ort-Einsatz gebaut, erfolgreich getestet und zum Patent angemeldet. SERS-basierte LFAs zusammen mit einem schnellen Auslesegerät (Sekunden) bieten somit die einmalige Chance, die Leistungsfähigkeit laborbasierter Verfahren für die schnelle Vor-Ort-Diagnostik zu nutzen, ohne dabei Abstriche bezüglich Empfindlichkeit, Quantifizierbarkeit und Multiplexing machen zu müssen. Die von uns entwickelten und ebenfalls zum Patent angemeldeten Goldnanopartikel lassen sich problemlos in bestehende LFAs integrieren. Nach dieser erfolgreichen Machbarkeitsstudie kann nun zusammen mit Industriepartnern an der Entwicklung kommerziell erhältlicher SERS-basierter LFAs gearbeitet werden, um diese dem Endanwender zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der Universalität des Verfahrens bietet sich ein großes Anwendungsspektrum, welches sich von der klinischen Diagnostik über die Veterinärmedizin und die Lebensmittelanalytik bis hin zum Nachweis von Drogen und biologischen Kampfstoffen erstreckt. Neuartig ist die Kombination aus hoher Empfindlichkeit (z.B. für die Früherkennung), Quantifizierbarkeit (mit konventionellen LFAs nicht erzielbar) und Multiplexing (zeit- und kostensparend) in Kombination mit hoher Auslesegeschwindigkeit (SERS Reader).
Publications
- 3. Münchner Point-of-Care Testing Symposium, München/Deutschland, 13.-15. März 2017, „Towards Quantitative, Highly Sensitive and Multiplexed POCT: Surface-Enhanced Raman Spectroscopy with Molecularly Functionalized Gold Nanoparticles"
V. Tran, M. Salehi, S. Schlücker
- International Conference on Enhanced Spectroscopies (ICES), München/Deutschland, 4.- 7. September 2017, „Correlative SERS/SEM microscopy on single Au nanospheres, Ag/Au nanoshells, Au nanostars and Au/Au core/satellite supraparticles: Experiment and Theory“
V. Tran, C. Thiel, J. T. Svejda, B. Walkenfort, D. Erni und S. Schlücker
- The Advanced Lateral Flow Course, San Diego/USA, 23.-25. Oktober 2017, „Towards Quantitative, Ultrasensitive and Multiplexed Lateral Flow Assays – Molecularly Functionalized Gold Nanoparticles for Optical Readout via Surface-Enhanced Raman Spectroscopy”
V. Tran, M. Salehi, S. Schlücker
- Probing the SERS brightness of individual Au nanoparticles, Au/Ag nanoshells, Au nanostars and Au core/Au satellite particles: single-particle experiments and computer simulations, Nanoscale, 2018
V. Tran, C. Thiel, J. T. Svejda, J. Mandana, B. Walkenfort, D. Erni, S. Schlücker
(See online at https://doi.org/10.1039/c8nr06028b) - Rapid and sensitive SERS detection of the cytokine tumor necrosis factor alpha (tnf-α) in a magnetic bead pull-down assay with purified and highly Raman-active gold nanoparticle clusters, Anal. Bioanal. Chem., 2018, 410, 5993
Y. Lai, S. Schlücker, Y. Wang
(See online at https://doi.org/10.1007/s00216-018-1218-0) - Rapid, Quantitative, and Ultrasensitive Point‐ of‐Care Testing: A Portable SERS Reader for Lateral Flow Assays in Clinical Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed., 2018
V. Tran, B. Walkenfort, M. Salehi, S. Schlücker
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201810917)
