Pathogennachweis mittels magnetischer Frequenzmischtechnik (PATHMAG)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Michael Engelmann; Professorin Dr. Corinna Kaulen; Dr. Ali Mohammad Pourshahidi
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574089568

Dieses Vorhaben zielt darauf ab, eine mobile, waschfreie Plattform für magnetische Biosensoren zu entwickeln, die eine schnelle, sensitive und vielseitige Diagnostik am Point-of-Care (PoC) ermöglicht. Das System basiert auf der Frequenzmischungs-Magnetdetektion (FMMD) superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel (SPIONs). Durch die Kombination komplementärer Expertisen in Instrumentierung, Nanopartikelsynthese und Simulation adressiert das Projekt aktuelle Einschränkungen SPION-basierter Biosensorik – insbesondere das Fehlen quantitativer, waschfreier und feldtauglicher Lösungen. Der vorgeschlagene FMMD-basierte Sensor detektiert pathogen-spezifische Bindungsereignisse über Änderungen im Relaxationsverhalten der magnetischen Nanopartikel, insbesondere der Brown’schen Relaxation, die empfindlich auf hydrodynamische Größenänderungen durch Bindung molekularbiologischer Targets oder Agglomeration reagiert. Wir schlagen vor, monodisperse SPIONs mit Kerngrößen über 20 nm zu synthetisieren, um eine dominierende Brown’sche Relaxation sicherzustellen. Diese Partikel werden mit Polyelektrolyten, Einzelstrang-DNA (ssDNA) oder Goldnanopartikeln funktionalisiert, um Modellsysteme zur Bewertung von Änderungen des hydrodynamischen Durchmessers und der Partikelagglomeration zu erzeugen. Die maßgeschneiderten SPIONs ermöglichen die Detektion molekularer Interaktionen ohne zeitaufwändige Waschschritte und stellen somit einen strategischen Fortschritt für PoC-Anwendungen dar. Ein prädiktives Simulationsframework soll die Synthese und Instrumentierungsentwicklung begleiten, indem das dynamische magnetische Antwortverhalten unter variierenden Feldbedingungen und SPION-Parametern modelliert wird. Dabei werden auch Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und Aggregationsszenarien berücksichtigt, um ein optimales Design zur Maximierung des FMMD-Signals zu ermöglichen. Zudem helfen die Simulationen dabei, Beiträge von Néel- und Brown’scher Relaxation zu unterscheiden – eine zentrale Voraussetzung zur Interpretation von FMMD-Signalen. Das Arbeitsprogramm umfasst acht miteinander verknüpfte Arbeitspakete: von der Synthese und Oberflächenfunktionalisierung der SPIONs über deren physikochemische und magnetische Charakterisierung bis hin zur Optimierung der FMMD-Instrumentierung. Experimentelle Validierung sowie der Vergleich von Simulation und Experiment münden schließlich in der Demonstration eines waschfreien DNA-Nachweises in physiologischen Medien. Insgesamt zielt das Projekt darauf ab, eine neue Klasse portabler magnetischer Biosensoren für die zukünftige Pathogendiagnostik und breitere biomedizinische Anwendungen zu etablieren – mit hoher Sensitivität, Schnelligkeit und quantitativer Auslesung in einem robusten, feldeinsatzfähigen Format.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Magnetic particle spectrometer
• Gerätegruppe: 3233 Nichtlineare Magnetpartikel Bildgebung, Magnetic Particle Imaging (MPI)