Elektrochemische Detektion von kardialen Biomarkern in Point-of-Care-Diagnostik

Die Zahl der Krebserkrankungen nimmt laut der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) weltweit zu. Wurden 2022 noch 20 Millionen neue Krebsdiagnosen gestellt, steigt diese Zahl Prognosen zufolge bis 2050 auf 35 Millionen pro Jahr. Neben der Operation und Strahlentherapie ist die Chemotherapie eine der zentralen Säulen der Krebstherapie. Sie umfasst die Behandlung bösartiger Tumore mit chemischen Substanzen, sogenannten Chemotherapeutika oder Zytostatika, die in den Vermehrungszyklus der Krebszellen eingreifen.

Die Fortschritte der onkologischen Therapie führten in den letzten Jahrzehnten zu einer verbesserten Überlebensrate von Krebspatientinnen und -patienten, jedoch stieg damit auch die Morbidität und Mortalität aufgrund kardiovaskulärer Nebenwirkungen. Werden sich manifestierende kardiale Dysfunktionen (z. B. Herzrhythmusstörungen, EKG-Veränderungen und das Perikarditis-Myokarditis-Syndrom) frühzeitig erkannt, können präventive und unterstützende Maßnahmen ergriffen werden.

Spezifische kardiale Biomarker, wie Troponin (mit seinen Untertypen), sind hoch sensitiv, wodurch Kardiotoxizität frühzeitig erkannt werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass der Troponin-Wert im Blut von Patient zu Patient stark variieren kann. Daher müssen Untersuchungszeitpunkte kardialer Biomarker individuell festgelegt und insbesondere bei Hochrisikopatienten engmaschig durchgeführt werden. Das macht die Überwachung kardiotoxischer Langzeitfolgen einer Chemotherapie sehr zeit-, material- und kostenintensiv. Zudem erfordert sie erhebliche personelle Kapazitäten. Abhilfe können hier Point-of-Care-Tests (POCT, patientennahe Sofortdiagnostik) schaffen.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts CARDIOTOX (FKZ: KK5033910) wurde am Fraunhofer IKTS ein Sensor-Demonstrator entwickelt. Dieser basiert auf einem Polyethylennaphthalat (PEN)-Substrat mit einer gedruckten Goldbeschichtung und ermöglicht eine selektive und sensitive Detektion von Troponin I mittels differentieller Puls-Voltammetrie. Damit gelang es, kardiales Troponin I im Labormaßstab elektrochemisch mit einer Genauigkeit von 0,3 ng/ml bis 2,4 ng/ml zu detektieren. Diese Spanne deckt die Troponin I-Proteinwerte während des Auftretens von Herzmuskelschäden ab [1].

In naher Zukunft soll ein tragbares Auslesesystem entwickelt und die Sensitivität und Reproduzierbarkeit des Sensors weiter verbessert werden. Bisher wurde die Testlösung manuell zuge-führt, was künftig durch ein Mikrofluidikmodul ersetzt werden soll.

Der entwickelte Ansatz bietet eine zusätzliche Diagnoseoption, um das Risiko kardialer Folgeerkrankungen bei Onkologie- Patienten frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig Maßnahmen einzuleiten. In Zusammenarbeit mit klinischen Partnern und Stakeholdern aus der Industrie plant das Fraunhofer IKTS im nächsten Schritt die Validierung und Hochskalierung der Sensortechnologie.

• Entwicklung elektrochemischer (Bio)Sensoren (Assayentwi­cklung, biochemische Sensorfunktionalisierung, biokompa­tible Aufbau- und Verbindungstechnik)
• Sensormessung
• Biokompatibles Sensor-Packaging
• Sensorprüfung und -evaluierung unter Mediumeinfluss

[1] S. Agewall, et al., »Troponin elevation in coronary vs. non-coronary disease«, European Heart Journal, vol. 32, no. 4, pp. 404–411, 2011.