Krankheiten rechtzeitig zu erkennen, kann Leben retten. Um Diagnosen in Zukunft noch früher stellen zu können, arbeiten WissenschafterInnen der Karl-Franzens-Universität Graz, der Medizinischen Universität Graz und der Joanneum Research an der Entwicklung hochsensibler Biosensoren auf der Basis von Gold-Nanopartikeln. Dabei machen sie sich die besonderen optischen Eigenschaften der winzigen Teilchen zunutze. Gefördert wird das Projekt „PP-BioSens“ im Rahmen der HTI (Human Technology Interface)-Initiative vom Zukunftsfond des Landes Steiermark.
Die Methode ist völlig neu: „Wir nutzen Nanopartikel aus Gold, um Licht in Bereiche, die nur wenige Nanometer klein sind, zu fokussieren“, erklärt der Projektleiter Ao.Univ.-Prof. Dr. Alfred Leitner vom Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz. Die ChemikerInnen Dr. Sylvia Scheicher und Dr. Stefan Koestler von Joanneum Research überziehen die Nanopartikel mit einer molekularen Schicht, zu der bestimmte Proteine wie ein Schlüssel ins Schloss passen. Denn Proteine spielen bei der Früherkennung von Krankheiten eine entscheidende Rolle.
Für die Sensorentwicklung hat Univ.-Doz. Dr. Peter Abuja vom Institut für Pathologie der Medizinischen Universität Graz zwei beispielhafte Proteine ausgewählt, deren vermehrtes Vorkommen im Blut auf ein erhöhtes Herzinfarktrisiko hinweist. Von der Bindungsschicht eingefangen, verändern sie die spektrale Zusammensetzung des von den Nanoteilchen gestreuten Lichts. „Ein Effekt, der bereits in ersten Tests als Farbänderung des Lichtfeldes mit freiem Auge sichtbar war“, berichtet Alfred Leitner.
Dabei wurde allerdings eine große Menge der nachzuweisenden Proteine verwendet. Im aktuellen Projekt sollen die Nanopartikel nun aber ihre wahre Stärke ausspielen: die Detektion geringster Stoffmengen, bis hin zu einzelnen Proteinen. „Diese hohe Messempfindlichkeit kann erreicht werden, weil die Teilchen Lichtfelder in nanoskopische Dimensionen konzentrieren, die den Abmessungen der Proteine entsprechen“, erklärt Leitner. Das neuartige Sensorkonzept beruht somit auf einem einfachen optischen Nachweis, der zudem noch kostengünstig ist – eine weiterer Erfolg versprechender Faktor.
Doch zunächst gilt es noch eine Reihe von grundlegenden Fragen zu klären, an deren Beantwortung WissenschafterInnen aus Physik, Chemie und Medizin beteiligt sind. So forscht zum Beispiel Mag. Verena Häfele im Rahmen ihrer Dissertation am Institut für Physik der Uni Graz an der Entwicklung von Nanopartikeln mit optimierter Lichtkonzentration und entsprechender hochsensitiver optischer Messtechnik.
Die wissenschaftlichen Grundlagen für diese Entwicklung schufen die Forschungen der Arbeitsgruppe „Nano-Optik“ unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Joachim Krenn vom Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz. „Wir haben in den letzten Jahren gelernt, diese Nanopartikel herzustellen und zu charakterisieren. Ihre Anwendung auf die Sensorik ist der logische nächste Schritt“, so Krenn.
Interessant sind die Ergebnisse des Projekts nicht nur für die Medizin. Denn das Messprinzip ist nicht auf die Biosensorik beschränkt, sondern lässt sich generell zum Nachweis geringster Stoffmengen einsetzen, wie zum Beispiel in der Umweltanalytik zur Feststellung von Schadstoffen.