Simultaneous Electrochemical Detection of miRNAs in Human Body Fluids: Development of an Integrated Multiplexed Microfluidic RNA sensor

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Gerald A. Urban; Professor Dr. Gernot Zissel
• Subject Area: Microsystems ; Biochemistry ; Medical Physics, Biomedical Technology ; Pneumology, Thoracic Surgery ; Polymer Materials
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 286656930

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurde eine kostengünstige Mikrofluidik-Multiplex-Biosensor-Plattform zur frühen, schnellen und zuverlässigen (sensitiven und selektiven) Nachweis von mehreren miRNAs in klinisch-relevanten Proben entwickelt. Weiterhin wurden verschiedenen miRNAs als potentielle Biomarker für Lungentumoren und interstitieller Lungenkrankheiten (ILD) untersucht, die später für die diagnostische und prognostische Zwecke in den klinischen Umgebungen verwendet werden können. Für diesen Zweck wurden unterschiedliche elektrochemische Mikrofluidik-Multiplex-Biosensoren (für 2, 4 und 8 Analyten) von erfolgreich entworfen, hergestellt und charakterisiert worden. Zudem wurden zwei unterschiedliche Assays mit unterschiedlichen Formaten (Sandwich und kompetitiv) entwickelt, optimiert und miteinander verglichen. Überraschenderweise zeigte das Sandwich-Assay im Vergleich zu einem kompetitiven Assay eine bessere Sensitivität (LOD von 1,28 nM) zusammen mit einer besseren Selektivität (bis zu einer Basepaar). Das ganze System wurde in menschlichen Serumproben getestet und Spike & Recovery-Tests validiert. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse wurden unterschiedlichen Zeitschriften (Advanced Materials, Biosensors & Bioelectronics, Analytical Chemistry usw.) und in Konferenzen publiziert. Insgesamt waren es 5 Forschung-, 2 Review-Artikeln sowie 2 Konferenzbeiträgen und eine Patentanmeldung. Zudem gab es ein Interview “Institut für Mikrosystemtechnik entwickelt leistungsfähige Biosensoren” von Dr. Can Dincer, der dieses Projekt geleitet hat, in der Badische Zeitung.

Publications

• Multianalyte Antibiotic Detection on an Electrochemical Microfluidic Platform. Analytical Chemistry, 88(20), 10036-10043.
  Kling, André; Chatelle, Claire; Armbrecht, Lucas; Qelibari, Edvina; Kieninger, Jochen; Dincer, Can; Weber, Wilfried & Urban, Gerald
  
• Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation. Journal of Visualized Experiments, 127.
  Bruch, Richard; Kling, André; Urban, Gerald A. & Dincer, Can
  
• Multiplexed Point-of-Care Testing – xPOCT. Trends in Biotechnology, 35(8), 728-742.
  Dincer, Can; Bruch, Richard; Kling, André; Dittrich, Petra S. & Urban, Gerald A.
  
• Electrochemical Characterization of Nanogap Interdigitated Electrode Arrays for Lab-on-a-Chip Applications. Journal of The Electrochemical Society, 165(3), B127-B134.
  Matylitskaya, Volha; Kasemann, Stephan; Urban, Gerald; Dincer, Can & Partel, Stefan
  
• “Single-channel multianalyte biosensor”, WO 2019134741, 2018
  C. Dincer, A. Kling, R. Bruch & G. Urban
  
• „Microfluidic biosensor for the electrochemical on-site detection of microRNAs“, 2018, MicroTAS 2018, Kaohsiung, Taiwan
  H. Kutluk, R. Bruch, M. Meirich, S. Partel, G. Urban & C. Dincer
  
• CRISPR/Cas13a‐Powered Electrochemical Microfluidic Biosensor for Nucleic Acid Amplification‐Free miRNA Diagnostics. Advanced Materials, 31(51).
  Bruch, Richard; Baaske, Julia; Chatelle, Claire; Meirich, Mailin; Madlener, Sibylle; Weber, Wilfried; Dincer, Can & Urban, Gerald Anton
  
• Disposable Sensors in Diagnostics, Food, and Environmental Monitoring. Advanced Materials, 31(30).
  Dincer, Can; Bruch, Richard; Costa‐Rama, Estefanía; Fernández‐Abedul, Maria Teresa; Merkoçi, Arben; Manz, Andreas; Urban, Gerald Anton & Güder, Firat
  
• „Gold nanogap interdigitated arrays for redox cycling amplified dopamine detection“, 2019, 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII), Berlin, Germany
  E. Laubender, V. Matylitskaya, E. Kostal, S. Kasemann, G. Urban, S. Partel & C. Dincer
  
• Impact of assay format on miRNA sensing: Electrochemical microfluidic biosensor for miRNA-197 detection. Biosensors and Bioelectronics, 148, 111824.
  Kutluk, Hazal; Bruch, Richard; Urban, Gerald A. & Dincer, Can