Photonische Biosensoren

Standardmedizinische Verfahren sind zeitaufwändig und berücksichtigen oft nicht die individuellen Unterschiede zwischen Patientinnen und Patienten, was zu potenziellen Konsequenzen für Behandlungsergebnisse und Lebensqualität führt. Um dieses Problem anzugehen, entwickelt das Fraunhofer-IPMS in Zusammenarbeit mit den Partnerinstituten Fraunhofer IZI und Fraunhofer IOF am Fraunhofer- Zentrum Erfurt Einweg-Biosensoren mit umfangreichen Multiplexing-Fähigkeiten, die schnelle Ergebnisse liefern. Diese Biosensoren ermöglichen eine frühzeitige Krankheitserkennung, personalisierte Medizin und Präzisionsmedizin, was das Potenzial hat, die Ergebnisse in der Gesundheitsversorgung erheblich zu verbessern. Die photonischen Biosensorchips werden am Fraunhofer IPMS auf einer Siliziumnitrid-Wellenleiter-Plattformtechnologie entwickelt. Diese Biosensoren bestehen aus speziell entwickelten, skalierbaren On-Chip-Mehrkanal- Mikroring-Resonator-Architekturen von derzeit bis zu 16 Sensoren, die bei einer Wellenlänge von 1550nm arbeiten. Zurzeit werden weitere Designs in Richtung des sichtbaren Bereichs auf der Basis von Mikroringresonatoren und Mach-Zehnder-Interferometern entwickelt. Die Nachweismethode basiert auf speziellen, vom Partnerinstitut Fraunhofer IZI entwickelten Bioassays, bei denen Antigenmoleküle spezifisch an funktionalisierte Sensoroberflächen binden. Bei erfolgreicher Bindung wird eine Resonanzwellenlängenverschiebung in den Transmissionsspektren des Devices ausgelesen. Diese Biosensoren sind hochempfindlich beim Nachweis von Biomolekülen in Flüssigkeiten, was sie für die Früherkennung von Krankheiten in Körperflüssigkeiten nützlich macht. Der Ansatz des Forschungsteams ist multidisziplinär. Dieser Ansatz umfasst die Entwicklung von Sensorchips, Bioassays, Biokomponenten, Oberflächenfunktionalisierung, Mikrofluidik und Systemintegration. Durch die Berücksichtigung all dieser Aspekte strebt das Team eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit des Biosensorsystems an. Das Forschungsteam hat erfolgreich einen Demonstrator entwickelt, der auf einem mehrkanaligen Siliziumnitrid- Mikroringresonator-Biosensorsystem basiert. Dieses System ermöglicht den Multiplex-Nachweis spezifischer miRNA-Biomarker, die im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen stehen, in Flüssigkeiten. Der Nachweis erfolgt über DNA-basierte Fängermoleküle, die auf der Sensoroberfläche immobilisiert sind. Die entwickelten Sensoren und das integrierte System sind vielseitig einsetzbar und können für den Nachweis von Nukleinsäuren, verschiedenen krankheitserregenden Biomarkern, Viren oder Bakterien in verschiedenen Flüssigkeiten angepasst werden.Die nächste Entwicklungsphase umfasst die Zusammenarbeit mit Diagnostikunternehmen und Kliniken, um die Entwicklung von Biosensoren für relevante biomedizinische Anwendungen weiter voranzutreiben. Ziel ist es, die praktische Umsetzung dieser Biosensoren in Gesundheitseinrichtungen zu realisieren.