Wissenschaftler des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen bedeutenden Durchbruch bei der Entwicklung von Diagnosewerkzeugen erzielt, die den Zugang zur Gesundheitsversorgung weltweit revolutionieren könnten. Es handelt sich um kostengünstige, einmal verwendbare, mit DNA beschichtete elektrochemische Sensoren, die eine schnelle und erschwingliche Erkennung einer breiten Palette von Krankheiten versprechen, von Krebs bis hin zu Infektionskrankheiten wie Grippe und HIV. Diese Innovation öffnet die Tür zu einer Diagnostik, die direkt in der Arztpraxis oder sogar bequem von zu Hause aus durchgeführt werden kann, wodurch die Notwendigkeit teurer und komplexer Laborausrüstung entfällt.

Innovativer Ansatz in der Diagnostik: DNA-Sensoren und CRISPR-Technologie

Der Kern dieser revolutionären Technologie liegt in der Verwendung einer billigen Elektrode, die mit spezifischen DNA-Strängen beschichtet ist. Diese elektrochemischen Sensoren verwenden ein DNA-schneidendes Enzym, das ein integraler Bestandteil des CRISPR-Gen-Editing-Systems ist. Wenn der Sensor ein Zielmolekül erkennt, wie zum Beispiel ein mit Krebs assoziiertes Gen oder eine virale Sequenz, wird das Enzym Cas12 aktiviert. Dieses Enzym, bekannt für seine Fähigkeit, DNA unspezifisch zu schneiden, beginnt die DNA-Stränge von der Elektrodenoberfläche zu "mähen", ähnlich einem Rasenmäher, der Gras schneidet. Diese Veränderung in der DNA-Struktur auf der Elektrode führt zu einer messbaren Veränderung des elektrischen Signals, was ein klarer Indikator für das Vorhandensein des Zielmoleküls ist.

Professorin Ariel Furst, Assistenzprofessorin für Chemieingenieurwesen am MIT und Hauptautorin der Studie, betont, dass der Fokus ihres Teams auf Diagnostika liegt, die derzeit für viele Menschen nur begrenzt verfügbar sind. "Unser Ziel ist es, einen Sensor für den Point-of-Care-Einsatz zu schaffen. Die Leute sollten ihn nicht nur in einer Klinik verwenden müssen. Sie könnten ihn auch zu Hause verwenden", erklärt Furst. Diese Vision einer dezentralisierten Diagnostik ist entscheidend für die Verbesserung der globalen Gesundheit, insbesondere in ressourcenarmen Regionen, in denen traditionelle Labore selten oder unzugänglich sind.

Herausforderungen überwinden: DNA-Stabilität und Polymerbeschichtung

Eine der Haupteinschränkungen bisheriger DNA-basierter Sensortechnologien war die Instabilität der DNA-Beschichtung auf der Elektrode. DNA zersetzt sich schnell, was die Haltbarkeit der Sensoren erheblich verkürzte und streng kontrollierte Lagerbedingungen wie Kühlung erforderte. Dies schränkte ihre Anwendung erheblich ein, insbesondere in abgelegenen oder wärmeren Klimazonen.

In einer kürzlich im Fachjournal ACS Sensors veröffentlichten Studie fanden Forscher des MIT eine elegante Lösung für dieses Problem. Sie stabilisierten die DNA mit einer Beschichtung aus einem Polymer namens Polyvinylalkohol (PVA). Dieses Polymer, dessen Kosten weniger als einen Cent pro Beschichtung betragen, wirkt wie eine Schutzplane, die die darunter liegende DNA schützt. Nach dem Auftragen auf die Elektrode trocknet das Polymer und bildet einen dünnen, schützenden Film.

Professorin Furst erklärt den Schutzmechanismus: "Einmal getrocknet, scheint es eine sehr starke Barriere gegen die Hauptfaktoren zu schaffen, die der DNA schaden können, wie reaktive Sauerstoffspezies, die die DNA selbst schädigen oder die Thiol-Bindung zum Gold aufbrechen und die DNA von der Elektrode entfernen können." Dank dieser innovativen Beschichtung können die Sensoren nun bis zu zwei Monate gelagert werden, selbst bei hohen Temperaturen von bis zu ca. 65 Grad Celsius (150 Grad Fahrenheit). Nach der Lagerung konnten die Sensoren erfolgreich das PCA3-Gen nachweisen, einen Marker für Prostatakrebs, der häufig in der Diagnostik dieser Krankheit verwendet wird.

Erschwinglichkeit und breite Anwendung

Die Herstellungskosten dieser DNA-basierten Sensoren betragen nur etwa 50 Cent, was sie extrem erschwinglich macht. Dieser niedrige Preis, kombiniert mit einer verlängerten Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen, ebnet den Weg für eine Massenanwendung in ressourcenarmen Regionen, in denen traditionelle Diagnosemethoden oft zu teuer oder logistisch undurchführbar sind. Stellen Sie sich die Möglichkeit vor, in ländlichen Gebieten Afrikas oder Asiens schnell auf HIV oder HPV zu testen, ohne dass eine komplexe Infrastruktur oder eine Kühlkette erforderlich ist.

Elektrochemische Sensoren funktionieren durch die Messung von Änderungen im elektrischen Stromfluss, wenn ein Zielmolekül mit einem Enzym interagiert. Dies ist dieselbe Technologie, die von Blutzuckermessgeräten zur Bestimmung der Glukosekonzentration in einer Blutprobe verwendet wird, was ihre Zuverlässigkeit und einfache Handhabung unterstreicht. Die im Labor von Professorin Furst entwickelten Sensoren bestehen aus DNA, die an einer billigen Goldfolienelektrode befestigt ist, die auf eine Kunststoffplatte laminiert ist. Die DNA ist über ein schwefelhaltiges Molekül, bekannt als Thiol, an die Elektrode gebunden.

In einer Studie aus dem Jahr 2021 zeigte das Labor von Professorin Furst, dass diese Sensoren zur Detektion des genetischen Materials von HIV und dem humanen Papillomavirus (HPV) verwendet werden können. Die Sensoren erkennen ihre Ziele mithilfe eines Führungs-RNA-Strangs, der so konzipiert werden kann, dass er an nahezu jede DNA- oder RNA-Sequenz bindet. Die Führungs-RNA ist mit dem Enzym Cas12 assoziiert, das bei Aktivierung unspezifisch DNA spaltet und zur selben Proteinfamilie wie das für das CRISPR-Genom-Editing verwendete Enzym Cas9 gehört.

Wenn das Ziel vorhanden ist, bindet es an die Führungs-RNA und aktiviert Cas12, das dann die an die Elektrode gebundene DNA schneidet. Dies verändert den von der Elektrode erzeugten Strom, der mit einem Potentiostaten (derselben Technologie, die in handgehaltenen Blutzuckermessgeräten verwendet wird) gemessen werden kann. "Wenn Cas12 eingeschaltet ist, ist es wie ein Rasenmäher, der die gesamte DNA auf Ihrer Elektrode schneidet, und das schaltet Ihr Signal aus", erklärt Furst.

Mögliche Anwendungen und zukünftige Schritte

Diese Art von Test könnte mit verschiedenen Arten von Proben verwendet werden, einschließlich Urin, Speichel oder Nasenabstrichen, was seine Anwendbarkeit weiter erweitert. Die Forscher hoffen, diesen Ansatz zu nutzen, um günstigere Diagnosetests für Infektionskrankheiten wie HPV oder HIV zu entwickeln, die in einer Arztpraxis oder zu Hause verwendet werden könnten. Darüber hinaus könnte diese Methode auch zur Entwicklung von Tests für neu auftretende Infektionskrankheiten angewendet werden, was im Kontext globaler Pandemien von größter Bedeutung ist.

Das Forscherteam aus dem Labor von Professorin Furst wurde kürzlich in delta v aufgenommen, einen Beschleuniger für studentische Unternehmen am MIT, wo sie hoffen, ein Startup zu gründen, um diese Technologie weiterzuentwickeln. Jetzt, da sie Tests mit einer viel längeren Haltbarkeit herstellen können, planen sie, diese an Standorte zu senden, wo sie mit Patientenproben unter realen Bedingungen getestet werden können.

"Unser Ziel ist es, weiterhin mit Patientenproben gegen verschiedene Krankheiten in realen Umgebungen zu testen", sagt Furst. "Unsere Einschränkung war bisher, dass wir die Sensoren vor Ort herstellen mussten, aber jetzt, da wir sie schützen können, können wir sie versenden. Wir müssen keine Kühlung verwenden. Das ermöglicht uns den Zugang zu viel robusteren oder nicht idealen Testumgebungen."

Diese Forschung, die teilweise vom MIT Committee on Research Support und dem MathWorks Fellowship finanziert wurde, stellt einen bedeutenden Schritt zur Demokratisierung der Diagnostik dar. Die Fähigkeit, billige, stabile und leicht transportable Diagnosewerkzeuge zu schaffen, hat das Potenzial, das öffentliche Gesundheitswesen zu transformieren, indem sie eine schnellere Krankheitserkennung, eine effektivere Überwachung von Epidemien und einen verbesserten Zugang zur Gesundheitsversorgung für Millionen von Menschen weltweit ermöglicht.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology