Sepsis fordert alle vier Sekunden ein Todesopfer. Es ist die häufigste Todesursache in Krankenhäusern und eine der zehn häufigsten Todesursachen weltweit. Sepsis ist mit der entzündlichen Reaktion des Körpers auf eine bakterielle Infektion verbunden und schreitet extrem schnell fort: Jede Stunde, die vergeht, bevor sie richtig diagnostiziert und behandelt wird, erhöht die Sterblichkeitsrate um fast 8 %. Zeit ist bei Sepsis ein kritischer Faktor, aber die derzeit in Krankenhäusern verwendeten Tests können bis zu 72 Stunden dauern, um eine Diagnose zu stellen.
Viele Wissenschaftler arbeiten an diesem kritischen Thema, darunter auch die von Abionic, einem EPFL-Spin-off. Forscher des Laboratory of Bionanophotonic Systems (BIOS) der School of Engineering der EPFL haben soeben eine neue Technologie vorgestellt. Sie haben einen optischen Biosensor entwickelt, der die Zeit für die Diagnose einer Sepsis von mehreren Tagen auf wenige Minuten verkürzt. Ihr neuartiger Ansatz stützt sich auf jüngste Entwicklungen in der Nanotechnologie und auf Lichteffekte im Nanomaßstab, um ein äußerst tragbares, einfach zu bedienendes Gerät zu schaffen, das Sepsis-Biomarker im Blutkreislauf eines Patienten schnell erkennen kann. Und ihr Gerät braucht nur wenige Minuten, um ein Ergebnis zu liefern, wie bei einem Schwangerschaftstest.
Da der Biosensor eine einzigartige Plasmonik-Technologie verwendet, kann er aus kleinen, kostengünstigen Komponenten gebaut werden und dennoch eine Genauigkeit erreichen, die mit Goldstandard-Labormethoden vergleichbar ist. Das Gerät kann eine Vielzahl von Biomarkern screenen und für die schnelle Diagnose einer Reihe von Krankheiten angepasst werden. Es wurde im Universitätskrankenhaus Vall d'Hebron in Spanien installiert und in Blindtests zur Untersuchung von Patientenproben aus der Sepsisbank des Krankenhauses eingesetzt. Die Technologie der Forscher ist zum Patent angemeldet, und ihre Ergebnisse wurden kürzlich in Small. veröffentlicht.
Einfangen von Biomarkern in Nanolöchern
Das Gerät verwendet eine optische Metaoberfläche – in diesem Fall eine dünne Goldschicht, die Anordnungen von Milliarden von Nanolöchern enthält. Die Metaoberfläche konzentriert das Licht um die Nanolöcher herum, um einen außergewöhnlich präzisen Biomarker-Nachweis zu ermöglichen. Mit dieser Art von Metaoberfläche können die Forscher Sepsis-Biomarker in einer Blutprobe mit nichts anderem als einer einfachen LED und einer Standard-CMOS-Kamera nachweisen.
Die Forscher fügen der Probe zunächst eine Lösung aus speziellen Nanopartikeln hinzu, die die Biomarker erfassen sollen. Diese Mischung verteilen sie dann auf der Metaoberfläche. "Alle Nanopartikel, die eingefangene Biomarker enth alten, werden schnell von Antikörpern an den Nanolöchern eingefangen", sagt Alexander Belushkin, der Hauptautor der Studie. Wenn eine LED angewendet wird, blockieren diese Nanopartikel teilweise das Licht, das durch die perforierte Metaoberfläche tritt.„Diese Interaktionen im Nanomaßstab werden von der CMOS-Kamera abgebildet und in Echtzeit mit hoher Präzision digital gezählt“, sagt Filiz Yesilkoy, Co-Autorin der Studie. Anhand der erzeugten Bilder lässt sich schnell feststellen, ob Krankheits-Biomarker in einer Probe vorhanden sind und wenn ja, in welcher Konzentration. Sie verwendeten das neue Gerät, um die Blutserumspiegel von zwei wichtigen sepsisrelevanten Biomarkern, Procalcitonin und C-reaktivem Protein, zu messen. Ärzte können diese Informationen nutzen, um die Triage von Sepsispatienten zu beschleunigen und letztendlich Leben zu retten.
"Wir glauben, dass unser kostengünstiger, kompakter Biosensor ein wertvolles Ausrüstungsteil in Krankenwagen und bestimmten Krankenstationen wäre", sagt Hatice Altug, Leiterin von BIOS. Wissenschaftler haben bereits mögliche Anwendungen im Auge. „Es besteht ein dringender Bedarf an solch vielversprechenden Biosensoren, damit Ärzte eine Sepsis genau und schnell diagnostizieren und so die Patientensterblichkeit auf ein Minimum reduzieren können“, sagen Anna Fàbrega und Juan José González, leitende Ärzte am Universitätskrankenhaus Vall d'Hebron.
