Kardiosprint: Detektion des Herzinfarktmarkers Troponin-I durch photonische Biosensoren (Kapri) - Echtzeit-Biomarkernachweis mit photonischen Mikroringresonatoren auf Silizium

Abstract

Im Projekt "Kapri" wurde ein miniaturisierter, siliziumbasierter photonischer Biosensor zur schnellen, empfindlichen und kostengünstigen Point-of-Care-Detektion klinisch relevanter Herzmarker entwickelt. Im Fokus standen die Biomarker kardiales Troponin I (cTnI) als Akutmarker des Herzinfarkts sowie das C-reaktive Protein (CRP) als Entzündungs- und Risikomarker. Die wesentlichen Bausteine der Plattform wurden erstmals zusammengeführt: Referenzassays im ELISA-Format (Nachweisgrenzen von 10 pg/mL für cTnI bzw. 5 pg/mL für CRP), die chemische Aktivierung der Sensoroberfläche durch Silanisierung, ein kontaktloses Dispensierverfahren im Pikoliter-Maßstab zur präzisen Beschichtung der photonischen Mikroringresonatoren sowie erste funktionale Messungen am Chip. Das Sensorprinzip beruht auf der analytbindungsbedingten Verschiebung der Resonanzwellenlänge in ringförmigen Wellenleitern. Als zentrale Ergebnisse konnten die spezifische Echtzeit-Detektion eines Proteins (Anti-Biotin-IgG, konzentrationsabhängig), die gleichzeitige Mehrkanal-Messung über mehrere Resonatoren (Neutravidin) sowie ein erster Nachweis des Biomarkers CRP am Chip demonstriert werden. Der Referenzresonator erlaubte dabei die zuverlässige Trennung von Nutz- und Störsignal. Als technische Engpässe wurden die effiziente Lichteinkopplung und thermische Lasereffekte identifiziert. Offene Punkte bleiben der Transfer auf den anspruchsvolleren Marker Troponin I, die reproduzierbare Wafer-Level-Beschichtung sowie die Bestimmung belastbarer Nachweisgrenzen. Perspektivisch ermöglicht die starke Miniaturisierung (rund 20.000 Sensoren pro Wafer) eine kostengünstige Serienfertigung für Multiplex-Diagnostik.