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Tragbares Gerät für schnelle Sepsis-Diagnose

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Dank eines ultrasensiblen tragbaren Sensors können tödliche Erkrankungen wie Blutvergiftungen schneller diagnostiziert werden. Die an der EPFL entwickelte Technologie könnte in Krankenwagen und Spitälern eingesetzt werden, um die Diagnose zu verbessern und Leben zu retten.

Die als «stiller Tod» bezeichnete Sepsis (Blutvergiftung) ist die häufigste Todesursache in Spitälern. Sie fordert weltweit alle vier Sekunden ein Menschenleben und gehört damit zu den zehn häufigsten Todesursachen.

Die Entzündungserkrankung entspricht einer plötzlichen Reaktion des Organismus auf eine Infektion und erfordert ein sofortiges medizinisches Eingreifen. Sie schreitet so schnell fort, dass mit jeder Stunde Verzögerung bei der Diagnosestellung und Einleitung der richtigen Behandlung das Sterberisiko um fast 8 % steigt.

«Mit dieser Technologie kann dieselbe Genauigkeit wie mit den besten Labortechniken erreicht werden.»

Mit den aktuell in den Spitälern verfügbaren Tests kann es jedoch bis zu 72 Stunden dauern, bis ein Ergebnis vorliegt. An der EPFL arbeiten mehrere Teams an diesem bedeutenden Problem. Dazu zählt auch das EPFL-Spin-off Abionic. Nun haben die Forscherinnen und Forscher des Labors für bionanofotonische Systeme eine neue Technologie präsentiert.

Sie haben einen optischen Chip entwickelt, mit dem sich die Diagnose dieser Infektionserkrankung beschleunigen lässt. Dabei nutzt ein einfach zu bedienendes, tragbares Gerät die jüngsten Fortschritte im Bereich der Nanotechnologien und der Plasmonik. Damit können in wenigen Minuten statt mehreren Tagen wie mit den herkömmlichen Mitteln die typischen Biomarker einer Sepsis im Blut nachgewiesen werden. Wie bei einem Schwangerschaftstest dauert das Ganze nur wenige Minuten. Das erschwingliche und kompakte Gerät kann auch die Konzentration angeben. Mit dieser Technologie kann dieselbe Genauigkeit wie mit den besten Labortechniken erreicht werden. Ausserdem können zahlreiche Biomarker gescannt und somit viele Erkrankungen rasch diagnostiziert werden.

Das tragbare Gerät wurde am Universitätsspital Vall d’Hebron in Spanien entwickelt, wo Blindtests mit Blutproben von Patientinnen und Patientinnen aus der Sepsis-Bank getestet wurden. Eine Patentanmeldung läuft.

Hatice Altug und Alexander Belushkin, © EPFL 2020 / Alain Herzog

Nanolöcher fangen Biomarker ein

Das System beruht im Prinzip auf der Nutzung einer optischen Metaoberfläche aus Goldblättchen, in die Milliarden von Nanolöchern im Netzverbund gebohrt wurden. Diese Metaoberfläche bündelt das Licht am Rand der Nanolöcher, sodass die Biomarker ausserordentlich genau nachgewiesen werden können.

Auf diese Weise können die Forscherinnen und Forscher in einer Probe mithilfe eines einfachen LED-Lichts und einer Standard-CMOS-Kamera die Biomarker unterschiedlicher Erkrankungen wie Blutvergiftungen aufspüren.

Das Verfahren funktioniert wie folgt: Die Blutprobe wird mit einer speziell für den Nachweis bestimmter Biomarker entwickelten Nanopartikellösung gemischt. Dabei fangen die Nanopartikel die vorhandenen Biomarker ein.

Anschliessend wird das Gemisch auf die Metaoberfläche gegeben. «Jedes mit einem Biomarker ausgestattete Nanopartikel wird von Antikörpern auf den Nanolöchern gebunden», erklärt Alexander Belushkin.

Der Test nur so lange wie ein Schwangerschaftstest. © EPFL 2020 / Alain Herzog

Der Nachweis ist einfach: Die durchlöcherte Metaoberfläche wird von einem LED-Licht angestrahlt. Dieses dringt nicht so gut durch die «besetzten» Löcher wie durch die leeren Öffnungen. «Diese nanometrischen Wechselwirkungen erzeugen Signale für die CMOS-Kamera und ermöglichen so den Nachweis und die Auszählung von Biomarkern», erklärt Filiz Yesilkoy. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ihr neues Gerät benutzt, um das Vorhandensein und die Konzentration von wichtigen Sepsis-Biomarkern zu messen: Procalcitonin und C-reaktives Protein.

Die Ärzte können diese Informationen nutzen, um die Diagnose von Blutvergiftungen und anderen Erkrankungen zu beschleunigen und möglicherweise Leben zu retten. «Wir brauchen unbedingt solche vielversprechenden Biosensoren für eine schnelle und genaue Sepsis-Diagnose», sagt Anna Fàbrega, leitende Ärztin an der Universität Vall d’Hebron in Spanien. «So könnten wir die Sterblichkeit der Patientinnen und Patienten auf ein Minimum beschränken.»

«Die Ärzte können diese Informationen nutzen, um möglicherweise Leben zu retten.»

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben bereits mögliche Szenarien im Kopf. «Wir denken, dass Krankenwagen und bestimmte Spitalabteilungen mit unserem erschwinglichen und kompakten Biosensor ausgerüstet werden könnten», meint Hatice Altug, Leiterin des Labors an der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie.

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