Bewertung des Einsatzpotenzials von elektrischen Biosensoren für die kontinuierliche Messung von Protease-Biomarkern

• Antragsteller: Professor Dr. Alexey Tarasov
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558246875

Proteasen sind Enzyme, die im menschlichen Körper Peptide und Proteine spalten. Abnormale Proteasewerte im Blut wurden mit pathophysiologischen Zuständen wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und psychiatrischen Störungen in Verbindung gebracht. Die Proteasewerte können sich auch im Laufe der Zeit aufgrund des Krankheitsverlaufs oder therapeutischer Interventionen verändern. Um die Mechanismen des Krankheitsverlaufs besser zu verstehen und neue Behandlungsmöglichkeiten zu entwickeln, besteht ein wachsender Bedarf an analytischen Werkzeugen, mit denen Protease-Biomarker kontinuierlich überwacht werden können. Derzeit gibt es keine direkte Methode für den einfachen Online-Nachweis von Proteasen aus komplexen Proben. Elektrische Sensoren kombinieren hohe Sensitivität und Selektivität mit einfacher Anwendung, Miniaturisierung und Integration in kompakte und kostengünstige Biosensorsysteme. Bestehende Biosensoren für Proteaseaktivität können nicht ohne weiteres regeneriert werden und eignen sich nicht direkt für die kontinuierliche Überwachung der Proteaseaktivität. Im Gegensatz dazu werden elektrische Sensoren wie ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) und potentiometrische ionenselektive Elektroden (ISE) häufig zur Detektion von Ionen wie Wasserstoff, Natrium und Kalium verwendet und können leicht für eine kontinuierliche Überwachung angepasst werden. Das Hauptziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Überwachung der Proteaseaktivität mit Hilfe von elektrischen Biosensoren unter Ausnutzung ihrer ionensensitiven Eigenschaften. Wir werden uns auf zwei Biomarker konzentrieren, die Matrix-Metalloproteinasen MMP-9 und MMP-12, da diese eine wichtige Rolle bei verschiedenen Krankheiten, einschließlich Krebs und Gefäßerkrankungen, spielen. Das Detektionsprinzip basiert auf der Quantifizierung der ionischen Fracht, die als Reaktion auf die Proteaseaktivität aus den Mikrokapseln freigesetzt wird. Die freigesetzten Ionen werden durch zwei Arten von Wandlern detektiert: Graphen-ISFETs und potentiometrische ISEs auf der Basis von mesoporösem Kohlenstoff. Es wird erwartet, dass Graphen-ISFETs eine höhere Empfindlichkeit und niedrigere Nachweisgrenzen bieten, während ISEs potenziell kostengünstiger und einfacher herzustellen sind. Beide Sensortypen sollen evaluiert und miteinander verglichen werden. Ein von der DFG geförderter Elektronenstrahlverdampfer wird als Teil einer Prozesslinie zur Herstellung neuartiger elektrochemischer Biosensorchips umfassend genutzt. Mit diesem Verdampfer wird eine neue Methode zur Herstellung von mesoporösem Kohlenstoff entwickelt, die einfacher ist und weniger gefährliche Chemikalien benötigt als bisherige Methoden. Ein mikrofluidischer Chip wird entwickelt, um die Handhabung von Flüssigkeiten einschließlich der kontinuierlichen Zufuhr von Mikrokapseln zu demonstrieren. Schließlich wird das Biosensorsystem in Serumproben validiert und mit modernen Protease-Nachweismethoden verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen