Der Ausbruch der COVID-Pandemie im Jahr 2020 hat erneut gezeigt, wie wichtig zuverlässige und schnelle Erkennungsmethoden sind, um wirksame Maßnahmen zur Bekämpfung einer Pandemie einzuleiten. Wissenschaftler:innen der Professur für Materialwissenschaft und Nanotechnik der TU Dresden (TUD) konnten im Rahmen zweier Studien beachtliche Fortschritte in der Entwicklung von hochinnovativen Lösungen zur Erkennung von viralen Erregern erzielen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden jetzt in den Fachzeitschriften „ACS Applied Materials & Interfaces“ und „Advanced Materials Interfaces“ veröffentlicht.  

Maßgeschneiderte, leistungsstarke und anpassungsfähige Nanoelektronik-Sensoren stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um sowohl für aktuelle als auch zukünftige Pandemien gewappnet zu sein. Diese Sensoren ermöglichen nicht nur die herkömmliche Diagnose bei Verdachtsfällen, sondern auch die kontinuierliche Überwachung der Umgebungsluft in Bussen, Zügen, Schulen oder Gesundheitseinrichtungen. Damit können beim Auftreten von Viren angemessene Maßnahmen ergriffen werden. Seit 2020 forschen die Dresdner an der Entwicklung von miniaturisierten Sensoren für den genauen und effizienten Nachweis von SARS-CoV-2-Antigenen. Neben dem Team der TUD unter der Leitung von Prof. Gianaurelio Cuniberti und Dr. Bergoi Ibarlucea waren auch Wissenschaftler:innen des Europäischen Labors für Molekularbiologie (EMBL) in Hamburg, des Leibniz-Instituts für Polymerforschung (IPF) Dresden und der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Korea an den beiden Studien beteiligt.

Sybodies: eine Revolution in der biologischen Erkennung
Die erste Studie, die in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht wurde, beschreibt einen bahnbrechenden innovativen Ansatz, der Genauigkeit und Geschwindigkeit des SARS-CoV-2-Antigennachweises erheblich steigert. Dabei werden synthetische Nanokörper, sogenannte Sybodies, als Rezeptoren in die Biosensoren eingesetzt. „Sybodies stellen eine schnelle, nachhaltige und ethisch einwandfreie Alternative dar, die im Gegensatz zu herkömmlichen Antikörpern mit tierversuchsfreien Methoden entwickelt und hergestellt wird“, sagt Prof. Gianaurelio Cuniberti, der beide Studien zusammen mit Dr. Bergoi Ibarlucea koordiniert hat. „Ein weiterer entscheidender Vorteil der Verwendung von Sybodies liegt in ihrer geringeren Größe im Vergleich zu Antikörpern, so dass die biologischen Erkennungsvorgänge viel näher an der Sensoroberfläche stattfinden können, was die Signalstärke erhöht und die Sensoren deutlich schneller und empfindlicher macht“, ergänzt er. Erste Tests wurden mit auf Silizium-Nanodrähten basierenden und mit Sybodies modifizierten Feldeffekttransistoren erfolgreich durchgeführt und zeigen das große Einsatzpotential dieses Ansatzes auf.

Überwindung des Empfindlichkeitsverlusts in biologischen Flüssigkeiten
In einer weiteren Arbeit, die in der Zeitschrift Advanced Materials Interfaces veröffentlicht wurde, befasst sich das Team damit, die Empfindlichkeit der Sensoren zu erhöhen, wenn sie in biologischen Flüssigkeiten arbeiten. Solche Proben weisen eine komplexe molekulare Zusammensetzung auf, was den Erfassungsbereich des Sensors stark einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Wissenschaftler:innen eine spezielle Oberflächenmodifizierung mit einem Hydrogel, das auf dem dielektrischen Polymer Polyethylenglykol basiert. Damit können Messungen direkt im Speichel und in anderen Proben von Patienten durchgeführt und auf aufwändige und zeitintensive Aufbereitungsschritte der Proben verzichtet werden.

Vollständige Arbeiten:
C. Zhang, A. Parichenko, W. Choi, S. Shin, L. A. Panes-Ruiz, D. Belyaev, T. F. Custódio, C. Löw, J.-S. Lee, B. Ibarlucea, G. Cuniberti, Sybodies as Novel Bioreceptors toward Field- Effect Transistor-Based Detection of SARS-CoV-2 Antigens. ACS Applied Materials and Interfaces 15, 40191 (2023).
https://doi.org/10.1021/acsami.3c06073

A. Parichenko, W. Choi, S. Shin, M. Schlecht, R. Gutierrez, T. F. Akbar, C. Werner, J. Lee, B. Ibarlucea, and G. Cuniberti, Hydrogel-Gated Silicon Nanotransistors for SARS-CoV-2 Antigen Detection in Physiological Ionic Strength. Advanced Materials Interfaces (2023).
https://doi.org/https://doi.org/10.1002/admi.202300391

Bild: Schematischer Aufbau eines Sensors zu Detektion von viralen Erregern, Quelle: TUD