Wie Mikroelektronik dabei hilft, Krebs im Frühstadium zu erkennen

| Autor / Redakteur: Alexander Hofmann, Michael Meister, Friedrich Scholz, Balázs Németh und Susette Germer / Hendrik Härter

Schnelltests: Mit einem mobilen Testsystem sollen Voruntersuchungen stattfinden, um integrierte Systeme zur individualisierten Krebsfrüherkennung zu entwickeln.
Schnelltests: Mit einem mobilen Testsystem sollen Voruntersuchungen stattfinden, um integrierte Systeme zur individualisierten Krebsfrüherkennung zu entwickeln. (Bild: IMMS)

Bei einigen Krebsarten kann der behandelnde Arzt mit einem Schnelltest eine erste Diagnose stellen. Forscher arbeiten an einem hochempfindlichen Messverfahren, um die Proben optisch auszuwerten.

In Deutschland erkranken jedes Jahr etwa 500.000 Menschen an Krebs [1]. Die Überlebensraten fünf Jahre nach der Diagnose variieren je nach Tumorart von unter 20 Prozent bis zu über 90 Prozent [2].

Je früher die Krankheit entdeckt wird, desto größer ist die Chance auf Heilung. Darmkrebs, die häufigste Krebsform in Deutschland, kann ein Jahrzehnt unbemerkt wachsen, bis er Symptome verursacht [3]. Für einige Krebsarten können Schnelltests direkt durch den behandelnden Arzt vorgenommen werden, unmittelbar Ergebnisse liefern und zeit- wie kostenaufwändige Laboruntersuchungen sparen.

Wie bisher Krebs nachgewiesen wird

Stand der Technik sind dabei unter anderem Teststreifen, auf denen Antikörper-Moleküle aufgebracht sind. Solche Bindungsmoleküle sind farbig markiert, halten in der Probenflüssigkeit das gesuchte Molekül fest und liefern nach fünf bis zehn Minuten einen Befund als Ja-Nein-Aussage in Form einer vorhandenen oder nicht vorhandenen farbigen Linie.

Unterschiedlich starke Einfärbungen dieser Markierung sind für Anwender jedoch nicht interpretierbar. Ein blasser Strich kann auch übersehen werden. Lassen sich dagegen genaue Konzentrationen bestimmter Moleküle in Probenflüssigkeiten feststellen, sind verlässliche Diagnosen möglich. Insbesondere bei Prostatakrebs, der häufigsten Krebsform bei Männern in Deutschland [4], können solche quantitativen Methoden die Vor-Ort-Diagnostik erheblich erleichtern.

Das prostataspezifische Antigen (PSA) kann Hinweise auf Krebs liefern, wird aber immer vom Körper produziert. Für unter 50-Jährige liegt die PSA-Konzentration bei weniger als 2,5 ng/ml, bei über 70-Jährigen hingegen bei etwa 6,5 ng/ml. Diese Werte können unabhängig vom Alter variieren und Entzündungen, mechanische Reizungen oder Krebs als Ursache haben. Wenn ein Karzinom wächst, steigt die individuelle PSA-Konzentration eines Patienten kontinuierlich an.

Wie die Antigen-Konzentration gemessen wird

Für eine quantitative Messungen hat das IMMS mit Thüringer Partnern im Projekt INSPECT [5] ein biologisch-mikroelektronisches Schnelldiagnostik-System zur immuno-onkologischen Früherkennung von Darm- und Prostatakrebs entwickelt. Vom IMMS stammt die Elektronik, wobei die Signalverarbeitung insbesondere bei extrem geringen Signalleistungen sowie deren effiziente Rauschunterdrückung im Fokus stehen. Ausgangspunkt für die geplante Mikroelektronik-Entwicklung sind die Erkenntnisse der Forschergruppe GreenSense des IMMS zu einem entwickelten Halbleiter-basierten optischen Sensor-Array-System für die Diagnostik von Infektionskrankheiten.

Voruntersuchungen zu neuen Anforderungen an die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), zur Biofunktionalisierung der Chip-Oberflächen und erste erfolgreiche Tests zur optischen Messung chemischer Reaktionen im direkten Kontakt mit der Elektronik wurden durchgeführt und bilden die Grundlage für das Diagnostik-System, das die Partner bis 2019 entwickeln wollen.

Der biotechnologische Ausgangspunkt für das entwickelte Testsystem ist vergleichbar mit dem der Teststreifen: Mit einer Antikörper-Antigen-Wechselwirkung sollen gezielt Analyten in einer Probe nachgewiesen werden, bei Prostatkrebs das PSA und bei Darmkrebs Hämoglobin. Neu ist, dass die entsprechenden primären Antikörper auf der Oberfläche eines Mikroelektronik-Chips aufrecht fixiert werden (A). Wird eine Probe auf den Chip gegeben, bilden sich dort unsichtbare Antikörper-Antigen-Komplexe (B), sofern die gesuchten PSA- bzw. Hämoglobin-Analyten in der Lösung enthalten sind. Sie werden in einem zweiten Schritt sichtbar gemacht, indem die Forscher farbig markierte sekundäre Antikörper hinzugeben, welche dann an den Analyten der AntikörperAntigen-Komplexe andocken (C).

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