Nanobiosensoren und Schnelltests

Ob Schwangerschaftstest, Antigen-Schnelltest oder Blutzuckermessgerät: Viele Messungen, die früher ein Labor brauchten, finden heute in Minuten am Küchentisch oder in der Arztpraxis statt. Hinter fast allen steckt dasselbe Prinzip eines Biosensors, und sehr oft sind Nanomaterialien beteiligt. Diese Seite erklärt, wie ein Biosensor aufgebaut ist, wie ein Lateral-Flow-Test im Detail funktioniert und wo die Grenzen solcher Tests liegen.

Was ein Biosensor ist

Nach der Definition der IUPAC ist ein Biosensor ein Messgerät, das ein biologisches Erkennungselement mit einem physikalischen Signalwandler verbindet. Drei Bausteine gehören dazu:

1. Biorezeptor: Er erkennt das Zielmolekül, den Analyten. Typische Biorezeptoren sind Antikörper, Enzyme, Nukleinsäuren, Aptamere oder ganze Zellen.
2. Signalwandler (Transducer): Er übersetzt die Bindung in ein messbares Signal, etwa eine Farbe, einen Strom, eine Frequenzänderung oder Wärme.
3. Auslesung: Das Signal wird mit dem Auge, einem Lesegerät oder einer Smartphone-Kamera erfasst und ausgewertet.

Als Urvater der Biosensoren gilt die Enzymelektrode von Leland Clark, der 1962 beschrieb, wie sich Glukose mit einem Enzym und einer Sauerstoffelektrode messen lässt. Heutige Blutzuckermessgeräte und kontinuierliche Glukosesensoren arbeiten nach verwandten Prinzipien.

Welche Signalwandler es gibt

Nanomaterialien helfen auf mehreren Ebenen. Sie bieten viel Oberfläche für Erkennungsmoleküle, sie erzeugen starke optische Signale und sie lassen sich mit Magnetfeldern bewegen. Ein einzelner Goldpartikel trägt viele Antikörper, und viele Partikel auf engem Raum ergeben eine gut sichtbare Linie.

So funktioniert ein Lateral-Flow-Test

Der Lateral-Flow-Test, auch Teststreifen oder Immunchromatografie genannt, ist der verbreitetste Nanobiosensor. Er besteht aus mehreren überlappenden Materialien auf einer Trägerkarte:

• Probenkissen: nimmt Urin, Speichel, Abstrichflüssigkeit oder verdünntes Blut auf und filtert grobe Bestandteile.
• Konjugatkissen: enthält getrocknete Goldnanopartikel, die mit einem Antikörper gegen das Zielmolekül beschichtet sind. Wie diese Beschichtung entsteht, erklärt die Seite Biokonjugation.
• Nitrocellulosemembran: Die Flüssigkeit wandert durch Kapillarkräfte weiter. Auf der Membran sind zwei Linien aufgebracht.
• Testlinie (T): enthält einen zweiten Antikörper, der das Zielmolekül an einer anderen Stelle erkennt.
• Kontrolllinie (C): fängt die Goldkonjugate unabhängig vom Zielmolekül ab.
• Saugkissen: zieht die Flüssigkeit an und sorgt für gleichmäßigen Fluss.

Beim häufigsten Format, dem Sandwich-Test, bindet das Zielmolekül zuerst an die Goldkonjugate. Auf der Testlinie wird dieser Komplex vom zweiten Antikörper festgehalten. Die angesammelten Goldpartikel färben die Linie rot. Ohne Zielmolekül wandern die Partikel an der Testlinie vorbei und werden nur an der Kontrolllinie gebunden.

Für kleine Moleküle, die nicht zwei Antikörper gleichzeitig binden können, etwa bestimmte Hormone oder Arzneistoffe, gibt es das kompetitive Format. Hier bedeutet eine fehlende Testlinie ein positives Ergebnis. Welches Format ein Test nutzt, steht in seiner Gebrauchsanweisung.

Point-of-Care: Diagnostik am Ort des Geschehens

Point-of-Care-Diagnostik meint Tests, die direkt bei der Patientin oder dem Patienten stattfinden, in der Praxis, der Notaufnahme, im Rettungswagen oder zu Hause. Neben Lateral-Flow-Tests gehören kleine Analysegeräte für Blutgase, Gerinnung oder Entzündungswerte dazu. Nanomaterialien tragen dazu bei, dass diese Geräte klein, schnell und empfindlich genug sind. Ein aktuelles Forschungsfeld ist die Kombination von Teststreifen mit Lesegeräten oder Smartphones, die schwache Linien objektiv auswerten und Ergebnisse dokumentieren.

In der EU unterliegen Tests für medizinische Zwecke der Verordnung über In-vitro-Diagnostika (IVDR). Sie regelt Leistungsnachweise, Konformitätsbewertung und Kennzeichnung, für Selbsttests gelten zusätzliche Anforderungen an Verständlichkeit und Gebrauchsanweisung.

Grenzen und Fehlerquellen

Schnelltests sind praktisch, aber nicht unfehlbar. Typische Ursachen für falsche Ergebnisse sind:

• zu frühe oder zu späte Testung, wenn die Menge des Zielmoleküls zu gering ist,
• Fehler bei der Probenahme oder abgelaufene, falsch gelagerte Tests,
• Kreuzreaktionen mit ähnlichen Molekülen, die ein falsch positives Ergebnis verursachen,
• bei sehr hohen Konzentrationen im Sandwich-Format der sogenannte Hook-Effekt, bei dem die Testlinie trotz vorhandenem Analyten schwächer wird,
• Ablesen außerhalb des vorgegebenen Zeitfensters.

Wer mehr über die Antikörper wissen möchte, auf denen die meisten Tests beruhen, und über Labormethoden wie ELISA, findet das auf der Seite Nanotechnologie und Immunologie. Welche Partikel als Marker infrage kommen, zeigt die Übersicht der Nanopartikel.

Forschungstrends

Die Forschung arbeitet daran, Schnelltests empfindlicher und vielseitiger zu machen. Ansätze sind Partikel mit stärkeren Signalen, etwa fluoreszierende oder magnetische Marker mit Lesegerät, die Verstärkung des Signals direkt auf dem Streifen, Tests für mehrere Zielmoleküle gleichzeitig und Nukleinsäuretests, die ohne aufwendige Laborgeräte auskommen. Dazu zählen auch Verfahren, die Genscheren als Erkennungswerkzeug nutzen. Viele dieser Entwicklungen sind noch nicht im Alltag angekommen. Sie zeigen aber, dass der einfache Teststreifen weiterhin ein sehr aktives Forschungsfeld der Nanobiotechnologie ist, das auch von europäischen Förderprogrammen unterstützt wird, mehr dazu unter Forschung in Europa.