Helfen Schnelltests auf Graphenoxidbasis bei der Erkennung von Infektionen?


Gemeinsam mit Projektpartnern entwickeln die Forscher des Fraunhofer IZM eine handliche Sensorplattform auf Graphenoxid-Basis, die es ermöglichen soll, akute Infektionen wie Sepsis oder Antikörper gegen das Coronavirus in wenigen Minuten nachzuweisen.

Ein Tropfen Blut reicht für die Diagnose aus

Nicht nur die aktuelle Situation der Pandemie COVID 19 zeigt, wie wichtig es ist, Infektionen schnell und genau zu erkennen, damit weitere Ansteckungen verhindert werden können. Die Diagnose von viralen oder bakteriellen Infektionen wird oft anhand der Symptome gestellt. Dies kann schnell zu Fehlinterpretationen führen, da einige Infektionen ähnliche Krankheitsverläufe verursachen. Bluttests geben Gewissheit, werden aber nur auf Verschreibung des Hausarztes in Labors durchgeführt. Bis die Ergebnisse der Analyse vorliegen, wird oft schon ein Antibiotikum verschrieben, das vielleicht gar nicht nötig wäre.

Seit April 2018 arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin im Projekt Graph-POC an einer Graphenoxid-basierten Sensorplattform, die genau diese Herausforderungen bei der Diagnose von Infektionen lösen soll.

Nur ein Tropfen Blut oder Speichel soll für eine genaue Analyse nötig sein. Der Tropfen wird auf die Sensorfläche gegeben, und innerhalb weniger Minuten erscheint ein über elektrische Signale übermitteltes Ergebnis - in der Hausarztpraxis, so die Wissenschaftler. Langwierige Laboruntersuchungen des Blutes würden damit durch einen Schnelltest ersetzt, der innerhalb von nur 15 Minuten Gewissheit bringt, so die Forscher. Eine entsprechende Behandlung oder geeignete Antibiotika könnten dann verordnet werden.

Antikörper auch im Fokus

Der Test könnte auch zum Nachweis von Antikörpern im Falle einer bereits erfolgten Infektion konzipiert werden. Die Forscher des Fraunhofer IZM konzentrieren sich derzeit auf diese Anwendung, um frühere Infektionen mit dem COVID-19-Virus nachzuweisen und so zum Beispiel Infektionswege zu identifizieren.

Da der menschliche Körper während einer Infektion bestimmte Moleküle oder Proteine produziert, die als Biomarker verwendet werden können, werden die Fängermoleküle auf der Sensoroberfläche der Graphenoxid-basierten Plattform platziert, um sie zu erkennen. Ob eine Infektion vorliegt, wird dann durch Differenzmessungen der Konzentration der Biomarker festgestellt, sagte er.

Graphen-Oxid in 3-D-Struktur in Form von Flocken

Das Besondere an der Sensorplattform ist das verwendete Material: Graphenoxid zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es ein elektrisch leitfähiges und biokompatibles Material ist und eine besonders zuverlässige Detektion ermöglicht. In der Mikroelektronik wird es bisher nur in seiner ursprünglichen 2-D-Form eingesetzt.

Die Forscher des Fraunhofer IZM setzen ihn nun aber in einer 3-D-Struktur in Form von Flocken ein. Diese dreidimensionale Form erhöht die Messfläche und auch die Genauigkeit der Messungen, betonen die Wissenschaftler.

Corona-Antrag hat Vorrang

Manuel Bäuscher, Wissenschaftler am Fraunhofer IZM und Teilprojektleiter des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekts Graph-POC, sieht in Graphenoxid-Sensoren große Chancen: "Aus dem heutigen medizinischen Bereich können wir uns auch in den so genannten Point of Need entwickeln, also in Richtung Umwelttechnik und die Detektion von Umwelteinflüssen. Aber zunächst hat natürlich die Koronaanwendung Priorität."

Die 3-D-Anordnung der Graphenoxid-Flakes und die daraus resultierende Empfindlichkeit eröffnen auch andere Anwendungen. So könnten schädliche Gase wie Kohlenmonoxid oder Aceton bereits bei Raumtemperatur nachgewiesen werden. Bei aktuellen Sensoren dieser Art müssen die Gase zunächst erhitzt werden, damit eine Oberflächenreaktion stattfinden kann. Durch die Kombination der Metalloxide mit der empfindlichen Oberfläche des Graphen-Sensors reagiert dieser jedoch schon bei niedrigeren Temperaturen.

Antikörpernachweis nach Coronavirus-Infektion in etwa einem Jahr?

Um den Herstellungsprozess für die Massenproduktion zu skalieren, nehmen die Forscher des Fraunhofer IZM eine weitere Herausforderung in Angriff: Die Beschichtung mit Graphenoxid soll auf Waferebene erfolgen, so dass Hunderte von Chips auf einmal verarbeitet werden könnten.

Bis die Schnelltests einsatzbereit sind, müssen die Graphenoxid-basierten Sensoren in einen Kunststoffträger eingebettet und die Zuverlässigkeit des Systems getestet werden. Das Projekt läuft regulär bis zum Frühjahr 2021 im Hinblick auf den Nachweis von Infektionen, aber die Wissenschaftler erwarten, dass die Verifizierung des Sensors im Hinblick auf das Coronavirus erst in einem Jahr erfolgen kann.

Beteiligte Projektpartner sind die Charité, Aptarion Biotech AG, Technische Universität Berlin, MicroDiscovery GmbH und alpha-board GmbH. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.