Neuer photonischer Kristallansatz kann empfindlichen und kostengünstigen Nachweis von Biomarkern ermöglichen

Biomarker sind kleine Moleküle, die für Forscher interessant sind, weil sie auf zugrunde liegende Krankheiten hinweisen können, oft bevor Symptome überhaupt auftreten. Der Nachweis dieser Marker kann jedoch schwierig sein, da sie insbesondere im Frühstadium einer Erkrankung häufig in sehr geringen Mengen vorhanden sind. Herkömmliche Erkennungsmethoden sind zwar effektiv, erfordern jedoch in der Regel teure Komponenten wie Prismen, Metallfilme oder optische Linsen.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Angewandte PhysikbriefeForscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben einen neuen Ansatz zum Nachweis niedriger Konzentrationen von Biomarkern vorgestellt und damit den Weg für eine Biosensortechnologie geebnet, die einfach zu verwenden, hochempfindlich und überraschend erschwinglich ist.

„Das Ziel dieser Technologie ist eine frühzeitige Diagnose, sodass wir krankheitsassoziierte Moleküle sehr früh in sehr geringen Konzentrationen, manchmal einigen wenigen Molekülen pro Million, erkennen können“, sagte Seemesh Bhaskar, Postdoktorand im Labor von Brian Cunningham und Erstautor. über das Studium. „Die Suche nach sehr geringen Konzentrationen von microRNAs, zirkulierender Tumor-DNA und Exosomen kann beispielsweise dabei helfen, festzustellen, ob ein Patient in ein oder zwei Jahren an Krebs erkranken wird.“

Die frühzeitige Erkennung von Biomarkern ist entscheidend für die wirksame Vorhersage und Behandlung von Krankheiten. Es gibt viele Strategien zur Messung des Vorhandenseins und der Konzentration von Biomarkern. Ein gängiger Ansatz besteht jedoch darin, sie an ein fluoreszierendes Molekül, ein sogenanntes Fluorophor, zu binden, das bei Anregung durch Licht fluoresziert.

Bhaskar wies darauf hin, dass es zwar Technologien gibt, mit denen sich diese geringen Konzentrationen an fluoreszierenden Biomarkern nachweisen lassen, diese jedoch oft sperrig und teuer sind, was ihre Zugänglichkeit im Gesundheitswesen, insbesondere in Gebieten mit begrenzten Ressourcen, einschränkt.

Der Ansatz umfasst ein neues lichtempfindliches Phänomen, die sogenannte strahlungsgeführte Modenresonanz, bei der photonische Kristalle verwendet werden – dünne Glasstücke mit kleinen Gittern auf der Oberfläche. Diese Netzwerke helfen dabei, Photonen, bei denen es sich um kleine Lichtpartikel handelt, die von Biomarkern emittiert werden, über einen Lenkeffekt entlang eines Pfades zu lenken. Dieser Signalweg ist so „abgestimmt“, dass er mit der Wellenlänge der von den Biomarkern emittierten Fluoreszenz übereinstimmt, wodurch die Lichtsammlung optimiert und die Nachweisempfindlichkeit verbessert wird.

Bhaskar vergleicht dies mit einem rhythmischen Tanz der Lichtenergie im Kristall, bei dem das Licht verstärkt wird und gleichzeitig die Eigenschaften des photonischen Kristalls annimmt. Eine Eigenschaft des Kristalls, Polarisationsauswahl genannt, gleicht die Polarisation des Lichts aus und ermöglicht so eine klarere und präzisere Erkennung der Fluoreszenz. Zusammen kann dies zu einem 100-mal höheren Ertrag führen.

„Für mich ist dies eine völlig neue Sichtweise auf die Eigenschaften des Lichts selbst“, sagte Bhaskar. „Photonen passen sich an, verändern und entwickeln sich weiter, während sie den photonischen Kristall passieren. Licht erhält neue Eigenschaften, ohne seine Essenz zu verlieren. Dies ist ein Beweis für die Anpassungsfähigkeit und transformative Kraft des Lichts.“

Die Entdeckung dieses neuen Phänomens ebnet den Weg für zukünftige Sensorplattformen, die in der Lage sein werden, Moleküle auf pikomolarem Niveau zu erkennen, ohne dass teure Komponenten erforderlich sind, wodurch die Biosensortechnologie empfindlicher, zugänglicher und erschwinglicher wird.