An integrated photonic crystal and magnetic bead aggregation technique to enhancement fluorescence on magnetic bead surface for low bead number detection

In den stillen Ecken der modernen Medizin ist die Fähigkeit, ein einzelnes Molekül eines Krankheitsmarkers in einem riesigen Ozean aus Blut zu finden, der Unterschied zwischen dem Früherkennen einer Krankheit und deren Entdeckung zu spät. Seit Jahrzehnten verlassen sich Wissenschaftler auf eine Methode namens Immunoassay, die im Grunde ein Such-und-Fange-Spiel ist. Sie verwenden winzige, spezialisierte Partikel, die wie Magnete für bestimmte Proteine wirken, wie etwa jene, die der Körper freisetzt, wenn er gegen eine Infektion oder Krebs kämpft. Sobald diese Partikel das Zielprotein einfangen, werden sie mit einem leuchtenden Chemikalien markiert, das unter einem Mikroskop aufleuchtet und so die Anwesenheit des Proteins offenbart. Wenn die Menge des Krankheitsproteins jedoch unglaublich gering ist – so gering, dass sie im Bereich von Picogramm, also Billionstelsekunden eines Gramms, liegt – ist das Leuchten oft zu schwach, um gesehen zu werden, was den Test gegenüber den frühesten Anzeichen einer Krankheit blind zurücklässt. Um dies zu lösen, haben Forscher sich zwei unterschiedlichen Werkzeugen zugewandt: magnetischen Kräften, um die Partikel in einem dichten Cluster zu sammeln, und einer speziellen Oberfläche, die das Licht, das sie aussenden, verstärken kann.

Ein Forschungsteam der National Chiao Tung University in Taiwan hat diese beiden Ansätze zu einem einzigen, integrierten System kombiniert, das darauf ausgelegt ist, das Unsichtbare sichtbar zu machen. Ihre Arbeit konzentriert sich auf den Nachweis von Maus-Interleukin-1-beta, einem Protein, das als Marker für Entzündungen dient, unter Verwendung einer Technik, die sie PCMAFLUID nennen. Diese Methode vereint eine magnetische Magnetperlen-Aggregationsmethode mit einer photonischen Kristalloberfläche. Die Magnetperlen sind winzige Kugeln mit einem Durchmesser von sechs Mikrometern, die mit Antikörpern beschichtet sind, welche das Zielprotein packen. Wenn ein Magnet in die Nähe der Flüssigkeit gebracht wird, die diese Perlen enthält, zieht er sie zusammen in einen dichten Haufen und konzentriert so das Signal. Der zweite Teil des Systems ist ein photonischer Kristall, eine Oberfläche, die mit mikroskopisch kleinen Rillen gemustert ist. Dieses Muster ist so konstruiert, dass es mit spezifischen Wellenlängen des Lichts resoniert, ganz ähnlich wie eine Gitarrensaite bei einer bestimmten Note vibriert. Wenn das Licht, das die Perlen zum Leuchten bringt, auf diese gemusterte Oberfläche trifft, verstärkt die Oberfläche das Licht und lässt die Perlen viel heller strahlen, als sie es auf einem normalen Objektträger aus Glas tun würden.

Die Forscher testeten dieses System, indem sie zwei verschiedene Aufbauten erstellten, um zu sehen, welcher besser funktionierte. Im ersten Aufbau verwendeten sie einen Standard-Objektträger aus Glas, der als Kontrolle diente. Im zweiten verwendeten sie einen Objektträger, der mit der photonischen Kristalloberfläche hergestellt wurde. Sie führten Proben ein, die Maus-IL1β-Protein in verschiedenen Konzentrationen enthielten, die von hohen Werten bis hin zu den extrem niedrigen Mengen reichen, die bei frühen Krankheitsstadien vorkommen. Anschließend verwendeten sie einen Magneten, um die Magnetperlen auf die Oberfläche des Objektträgers zu ziehen, und maßen die Helligkeit des resultierenden Leuchtens mit einem eigens dafür gebauten Mikroskop. Die Ergebnisse zeigten, dass das bloße Sammeln der Perlen mit einem Magneten einen signifikanten Unterschied machte. Auf dem Standard-Glasobjektträger erhöhte das Zusammenziehen der Perlen die Helligkeit des Signals um etwa das Sieben- bis Neunfache im Vergleich dazu, wenn die Perlen verstreut waren. Dies bestätigte, dass die Konzentration der Perlen dem Mikroskop hilft, sie deutlicher zu sehen.

Der wahre Durchbruch kam jedoch, als sie den Glasobjektträger mit der photonischen Kristalloberfläche verglichen. Als die Perlen auf dem photonischen Kristall gesammelt wurden, war der Verstärkungseffekt weita.$ viel dramatischer. Die Forscher fanden heraus, dass die Kombination aus dem magnetischen Zug und der lichtverstärkenden Oberfläche es ihnen ermöglichte, das Protein in Konzentrationen von nur 0,0001 Picogramm pro Milliliter nachzuweisen. Im Gegensatz dazu verschwand das Signal für das Protein auf dem Standard-Glasobjektträger praktisch, sobald die Konzentration auf 0,01 Picogramm pro Milliliter sank. Das bedeutet, dass die neue Technik das Protein auf einem Niveau nachweisen konnte, das hundertmal niedriger ist als die Standardmethode. Als das Team die Signalstärke bei diesen Nachweisgrenzen analysierte, berechneten sie, dass die photonische Kristalltechnik das Fluoreszenzsignal um mehr als das Tausendfache im Vergleich zum Glasobjektträger allein verstärkte.

Um genau zu verstehen, wie kraftvoll dies war, zoomten die Forscher auf eine einzelne Magnetperle. Sie maßen das Licht, das von einer Perle auf dem Glasobjektträger kam, und verglichen es mit einer Perle auf dem photonischen Kristall. Die Perle auf der speziellen Oberfläche war elfmal heller als die auf dem Glas. Dies bewies, dass die Verstärkung nicht nur das Ergebnis davon war, dass sich mehr Perlen an einem Ort befanden, sondern dass die Oberfläche selbst jede einzelne Perle intensiver leuchten ließ. Die Studie stellte auch fest, dass die magnetische Aggregation zwar auf allen Ebenen half, der photonische Kristall jedoch entscheidend war, um die niedrigsten Konzentrationen zu sehen. Ohne den Kristall ging das Signal der kleinsten Proteinmengen im Hintergrundrauschen verloren.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sie durch die Integration der magnetischen Perlenaggregation mit der photonischen Kristalloberfläche erfolgreich ein Werkzeug geschaffen haben, das die Grenzen des Nachweisverfahrens weit über das bisher Mögliche hinaus verschiebt. Diese Technik macht nicht nur das bestehende Signal lauter; sie verändert grundlegend die Sensitivität des Tests und ermöglicht den Nachweis von Krankheitsmarkern auf einem Niveau, das zuvor unentdeckbar war. Obwohl die Studie unter Verwendung von Mausproteinen durchgeführt wurde, schlagen die Autoren vor, dass dieser Ansatz angepasst werden könnte, um menschliche Krankheitsbiomarker und Krebsmarker in ihren frühesten Stadien nachzuweisen. Indem sie das schwächste Leuchten sichtbar machen, bietet diese Methode einen neuen Weg, um Krankheiten zu diagnostizieren, bevor sie die Chance haben zu wachsen, indem sie ein mikroskopisches Signal in eine klare, messbare Antwort verwandelt.