Mini-Testkit: Gelbsucht-Diagnose anhand von Tränenflüssigkeit

Menschliche Tränenflüssigkeit enthält viele Proteine, Metabolite und andere Moleküle, deren Konzentrationen sich bei bestimmten Krankheiten stark verändern. Ein Forschungsteam hat jetzt ein handliches Testkit für Tränen entwickelt, mit dem Gelbsucht-Patienten identifiziert werden konnten.

Der Weg zum Erfolg war ein hybrider Sensor, der zugleich störende Verunreinigungen aus der Probe abtrennt. Dieser Ansatz könnte neue Wege für die Früherkennung und Diagnostik anhand komplexer Körperflüssigkeiten aufzeigen, wie das Team in der Zeitschrift Angewandte Chemie darlegt.

Ein großer Vorteil der Tränen-Diagnostik ist die einfache, nichtinvasive Probengewinnung. Als Analysenmethode für enthaltene Biomoleküle bietet sich die Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) an.

Beim Raman-Effekt regt Licht bei der Streuung an Materie charakteristische Schwingungen und Rotationen von Molekülteilen an. Die resultierende Frequenzverschiebung beim Streulicht liefert einen molekularen „Fingerabdruck“. Stehen die Analyt-Moleküle in Kontakt mit einer Metalloberfläche, sogenannten „Hotspots“, werden die Raman-Signale so verstärkt, dass die für die Tränen-Diagnostik nötige Ultrasensitivität erreicht wird. Eine Markierung der Analyte wird somit überflüssig. Kompakte Raman-Handgeräte stünden für die direkte Diagnostik beim Patienten zur Verfügung. Das Problem sind geeignete SERS-Sensoren, denn die bisher eingesetzten werden durch starke Ablagerung von Tränen-Bestandteilen rasch deaktiviert. Geht es also doch nicht ohne aufwendige Proben-Vorbehandlung?

Doch, wie das Team um Yun Feng von der Peking University Third Hospital, Zhou Yang von der University of Science and Technology in Beijing und Tie Wang von der Tianjin University of Technology und Chinese Academy of Sciences in Beijing jetzt mit einem neuartigen Ansatz für ein etwa Streichholzschachtel-großes Diagnose-Testkit zeigt.

Sensor mit Trennwirkung

Das Herzstück des Diagnose-Kits ist eine hybride Schicht. Diese besteht aus einer Lage regelmäßig angeordneter Siliciumdioxid-Nanokügelchen, welche auf der Oberseite mit einer hauchfeinen Goldschicht versehen wird. Auf diese werden Gold-Nanopartikeln aufgetragen, welche als SERS-Hotspots wirken. Die Zielmoleküle binden an das Gold und werden auf der Oberseite festgehalten, während kleinere Tränenbestandteile durch die Zwischenräume zwischen den Siliciumdioxid-Nanokügelchen in ein saugfähiges Substrat unterhalb der Schicht gelangen. Die Porendurchmesser lassen sich über die Größe der verwendeten Kügelchen so einstellen, dass die störenden Hauptbestandteile von Tränen, wie Albumin, Lysozym, IgG und Peroxidase abgetrennt werden. Die als SiO2@Au@AuNPs bezeichnete Schicht wird zwischen zwei Glasträgern eingebettet und in ein Gehäuse eingeschlossen. Eine herausragende Spitze dient der Sammlung von Tränenflüssigkeit am Augenwinkel. Die SERS-Untersuchung erfolgt durch ein Fenster auf der Oberseite.

Mithilfe des neuen Testkits identifizierte das Team erfolgreich Patienten mit Gelbsucht. Bei dieser Erkrankung wird der Gallenfarbstoff Bilirubin nicht ausreichend ausgeschieden, sondern im Körper angereichert und findet sich auch in der Tränenflüssigkeit. Das Bilirubin bindet stark an das Gold des Sensors und ist anhand seines SERS-Signals sehr empfindlich nachweisbar.

Originalpublikation: Zhao W et al. A Separation-Sensing Platform Performing Accurate Diagnosis of Jaundice in Complex Biological Tear Fluids. Angewandte Chemie (2022) https://doi.org/10.1002/ange.202205628