QMED - Quantensensoren für die biomedizinische Diagnostik

Abstract

Das Projekt QMED ist eines von acht Verbundprojekten der Zukunftsclusterstrategie des Bundes im Rahmen des Clusters QSens. Ziel ist die Entwicklung neuartiger Quantensensoren für die biomedizinische Diagnostik auf Basis von Stickstoff-Vakanzzentren in Diamant (NV-Zentren) aufgrund der höheren Sensitivität, Kostensenkung- und Miniaturisierungspotenzial. Diese Technologie besitzt das Potenzial, etablierte Verfahren wie die Kernspinresonanz (NMR)- und Elektronenspinresonanz (ESR, EPR) in ihrer Empfindlichkeit deutlich zu übertreffen und neue Anwendungen in der personalisierten Medizin zu ermöglichen.

Der Projektpartner Noxygen bearbeitet Arbeitspaket 2 mit dem Fokus auf der Detektion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) mittels NV-basierter ESR-Technologie. ROS sind biologisch relevante Moleküle mit ungepaarten Elektronen, die als Signalmoleküle im Redox-Network eine essenzielle Rolle spielen und diverse nachgelagerte Stoffwechselprozesse steuern. Die quantitative Bestimmung ihrer Bildungsrate bietet erheblichen diagnostischen Mehrwert – etwa für Differentialdiagnosen oder das Therapieverlaufsmonitoring in der personalisierten Medizin.

Im Rahmen des Projekts wurden zwei Labordemonstratoren aufgebaut und schrittweise weiterentwickelt. Ein zentraler Bestandteil war die Entwicklung einer speziell für NV-EPR geeigneten Kalibrationsverfahren, welche biologischen Anwendungsfällen entspricht. Es wurden zwei Kalibrationsverfahren erarbeitet: Zum einen die Kalibrierung mit einer statischen, langzeitstabilen Modelllösung und zum anderen ein Verfahren zur gezielten, linearen Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), dass die Bedingungen biologischer Systeme realistisch abbildet.

In Zusammenarbeit mit unserem Projektpartner wurde darüber hinaus eine NV-Diamantstruktur konzipiert, die mit einer geeigneten Spinprobe funktionalisiert und anschließend vom Projektpartner synthetisiert wurde. Zusätzlich wurden verschiedene, in der biopharmazeutischen Zelllinienproduktion typische Medienlösungen analysiert. Da sich diese als ungeeignet für NV-EPR erwiesen, wurde ein geeignetes Reinigungsverfahren erarbeitet und erfolgreich validiert. Zudem wurde in verschiedenen Temperaturmodellen die Auswirkung auf die Reproduzierbarkeit betrachtet. Der so entstandene Labordemonstrator erreichte ein Detektionslimit von 100 nM bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 10 und erfüllt damit die Ziele des Teilprojekts.

Bei der Analyse von Blutproben war eine Validierung der Messergebnisse mit der konventionellen EPR jedoch nicht möglich. Grund hierfür ist das unterschiedliche Messprinzip: Während die konventionelle EPR als Volumensensor fungiert, basiert NV-EPR auf einem Nahfeldsensor. Die damit verbundenen biologischen und geometrischen Unterschiede werden im Folgeprojekt QMED2-NVEPR in einem eigenen Arbeitspaket vertieft untersucht.