Mikrofluidische Flusszelle mit integriertem Antikörper-basiertem Biosensor zum Nachweis des Tetanustoxins.
Quelle: BAM
Tetanus zählt zu den schwerwiegenden Infektionskrankheiten und stellt insbesondere in Ländern mit eingeschränktem Zugang zur Gesundheitsversorgung ein erhebliches Risiko dar. Trotz Behandlung sterben mehr als 80 % der erkrankten Neugeborenen. Eine frühzeitige, zuverlässige und ortsnahe Diagnostik ist daher von hoher Relevanz. Konventionelle Nachweismethoden wie PCR (Polymerase-Kettenreaktion) oder ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) sind zwar sensitiv, jedoch häufig kostenintensiv, zeitaufwendig und wenig geeignet für ressourcenarme Gegebenheiten.
Im Rahmen eines interdisziplinären Projekts wurde an der BAM ein elektrochemischer Biosensor entwickelt, der das ungefährliche Tetanustoxin, das Tetanustoxoid, als Modelltarget selektiv, empfindlich und unter praxisnahen Bedingungen nachweisen kann. Zentrales Element des Sensors ist ein speziell entwickeltes metallorganisches Gerüst auf Eisenbasis (Fe-MOF). Es vereint elektrische Leitfähigkeit und magnetische Eigenschaften und ermöglicht dadurch einen einfachen Aufbau sowie eine kostengünstige Herstellung des Sensors.
Das Fe-MOF wurde mit der aromatischen Aminosäure L-Phenylalanin funktionalisiert, um die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich zu steigern. Über kovalente Kopplung wurden spezifische Antikörper gegen das Tetanustoxin auf der MOF-Oberfläche immobilisiert. Die Analyt-Erkennung erfolgt durch zyklovoltammetrische Messung. Bindet das Tetanustoxin an die Antikörper auf der Sensoroberfläche, wird der Stromfluss an der Elektrode schwächer. Die Stärke der Signalabschwächung korreliert direkt mit der Konzentration des Toxins. Im Vergleich zu bisherigen elektrochemischen Sensoren zeichnet sich die BAM-Entwicklung durch einen einfachen, kostengünstigen Aufbau, eine sehr niedrige Nachweisgrenze (9,4 ng/ml) und eine hohe Selektivität gegenüber biologisch ähnlichen Molekülen wie Serumalbumin aus. Insbesondere die gezielte Synthese funktionaler Nanomaterialien und deren Integration in praxistaugliche Sensorplattformen verdeutlicht die besondere Rolle der BAM im Bereich der angewandten Materialforschung.
Das modulare Sensorprinzip ist flexibel einsetzbar und kann durch Austausch der Erkennungseinheit für weitere Biomarker adaptiert werden – beispielsweise im Bereich der Infektionsdiagnostik, Umweltanalytik oder Tumorfrüherkennung. Damit bietet das System eine geeignete Grundlage für den Einsatz in portablen Point-of-Care-Diagnostiksystemen.
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Analytica Chimica Acta, Volume 1335, 2025