Kombinierter Feldeffekt-/Magnet-Immunsensor-Chip für den markierungsfreien Nachweise von Biomarkern (FEMIC)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Corinna Kaulen; Professor Dr. Hans-Joachim Krause; Professor Dr. Michael J. Schöning
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biomedizinische Systemtechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445454801

Hauptziel ist die Entwicklung eines wiederverwendbaren Immunsensor-Chips, der zwei Messmethoden, Feldeffekt und magnetische Detektion, zum Nachweis verschiedener Biomarker kombiniert. Die Halbleiter-Feldeffektplattform eignet sich sehr gut zur markierungsfreien elektrischen Detektion von Biomarkern anhand ihrer molekularen Ladung. Die Magnetdetektion mittels Frequenzmischung hingegen ist eine berührungslose Technik zur Untersuchung des Bindungszustands magnetischer Nanopartikel (MNP). Ein Immunsensor, der zwei völlig unterschiedliche Wandlungsprinzipien kombiniert, wird mögliche falsche Signale drastisch reduzieren und somit einen zuverlässigeren Nachweis von Biomarkern ermöglichen. Nur wenn sich die Signale beider Messmethoden in die erwartete Richtung ändern (logisches UND-Gatter), wird das Ergebnis als positiv gewertet.Die Vorteile des Konzepts sind:- einfache und kostengünstige Herstellung von Immunsensor-Chips unter Verwendung eines kapazitiven Feldeffektsensors (ImmunoFEC) als Signalwandler;- Verwendung von MNP zum magnetischen Nachweis und zum Einfangen / Abtrennen von Ziel-Biomarkern aus Proben und Aufkonzentration auf der Immunchip-Oberfläche;- Fähigkeit zum Biomarker-Nachweis in Proben niedriger und hoher Ionenkonzentration;- keine unspezifische Adsorption von Biomolekülen auf der ImmunoFEC-Oberfläche, da die immunchemische Reaktion von der Sensoroberfläche getrennt ist;- Wiederverwendbarkeit und Möglichkeit des Nachweises mehrerer Biomarker unter Verwendung desselben Immunchips;- Beschleunigung der Adsorption biomarkerkonjugierter MNP mit Magnet und somit Verkürzung der Wartezeit.MNP-modifizierte ImmunoFECs wurden bisher nicht zum markierungsfreien Nachweis von Protein-Biomarkern anhand ihrer intrinsischen molekularen Ladung verwendet. Der neue Ansatz soll beispielhaft für den Nachweis mehrerer klinisch relevanter Biomarker (z.B. Glykohämoglobin, Hämoglobin, C-reaktives Protein) untersucht werden. Mit hydrophilen Liganden stabilisierte MNP werden in verschiedenen Größen synthetisiert und hinsichtlich ihrer nichtlinearen magnetischen Antwort charakterisiert. Für die Detektion der Biomarker werden sie mit Antikörpern funktionalisiert. Die physikalische und elektrochemische Charakterisierung von ImmunoFECs wird Informationen zur Oberflächenmodifikation und zu Regenerationsschritten liefern. Ein theoretisches Funktionsmodell des mit Biomarker-Antikörper-konjugierten MNP modifizierten ImmunoFEC soll entwickelt werden. Grundlegende Eigenschaften des dualen Immunchips wie Empfindlichkeit, Nachweisgrenze, Spezifität und Wiederverwendbarkeit werden untersucht und mit theoretischen Vorhersagen verglichen.Die Kombination von Feldeffekt- und Magnetdetektion eröffnet neue Perspektiven im Point-of-Care-Bereich. Die geplante Zusammenarbeit kombiniert komplementäres wissenschaftliches Know-how und ermöglicht so ein zielgerichtetes Arbeiten an diesem multidisziplinären Ansatz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen