MATISSE

Microfluidic Active-Feedback THz Biosensor for Direct, Sensitive and Selective Exosome and Virus Detection in Aqueous Environments (“MATISSE”) 

THz-Techniken zur Bioanalytik haben sich zu einem stark wachsenden Forschungsgebiet entwickelt, da viele Biomoleküle und biomolekulare Komplexe ein relevantes intra- und intermolekulares Resonanzspektrum im THz-Bereich aufweisen [1-3].

Das MATISSE-Projekt zielt über den Nachweis einzelner Biomoleküle hinaus auf die THz-Analyse und den Nachweis komplexerer biologischer Systeme ab, die der interzellulären Signalübertragung und der Ausbreitung von Krankheiten zugrunde liegen: vesikuläre Strukturen. Vesikel befinden sich innerhalb der Zelle und transportieren Inhalte nach außen, sind aber auch extrazellulär als so genannte Exosomen in allen Organismen zu finden. Diese Exosomen sind Zell-zu-Zell-Transitsysteme im menschlichen Körper mit vielfältigen Funktionen, die im Mittelpunkt aktueller biomedizinischer Forschungsinteressen stehen (vgl. [4]). Exosomen sind hervorragende, ungefährliche Modellsysteme für potentiell gefährliche Viren, die ebenfalls zur Gruppe der Vesikel gehören, wie z.B. SARS-CoV2.

Alle diese kleinen biologischen Strukturen (Viren, Exosomen) tragen und präsentieren auf ihrer Oberfläche Markermoleküle, mit denen ein spezifischer Nachweis möglich ist. Der Nachweis ist jedoch nach wie vor zeitaufwändig und erfordert fortgeschrittene biomedizinische Techniken und entsprechend geschultes Fachpersonal. Dies soll am Beispiel des aktuellen Problems von SARS-CoV2 verdeutlicht werden: Ein hochspezifischer und empfindlicher Nachweis ist derzeit nur durch ein indirektes, zeitaufwändiges Verfahren möglich, nämlich den Nachweis viraler RNA nach reverser Transkription und Amplifikation durch PCR (Polymerase Kettenreaktion). Schnelltests konzentrieren sich auf den Nachweis eines viralen Proteins; diese sind jedoch bekanntermaßen weniger empfindlich und spezifisch.

Im Rahmen des MATISSE-Projekts wird ein mikrofluidischer THz-Biochip mit integrierter aktiver elektronischer Auslesung für den schnellen und zuverlässigen Nachweis von Exosomen und Viruspartikeln mit hoher Spezifität entwickelt. Unser Fernziel ist, dass Körperflüssigkeiten, die potenziell Viruspartikel tragen, den mikrofluidischen THz-Biosensor passieren und die Viruspartikel durch einen Antikörper gegen Markermoleküle auf ihrer Oberfläche (z.B. das Spike-Protein im Falle von SARS-CoV2) festgehalten werden. Nach der Anhäufung potentiell vorhandener Partikel auf der Oberfläche des Biosensors werden diese mittels THz-Technologie nachgewiesen. Geeignete Positiv- und Negativkontrollen ermöglichen eine selektive Unterscheidung und Quantifizierung, die über einfache Ja/Nein-Antworten hinausgehen.

Das Projekt ist Teil des DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderten SPP 2314 (Schwerpunktprogramms) INTEREST (INtegrated TERahErtz sySTems enabling novel functionality). Weiterführende Informationen sind auf der Projekt-Webseite verfügbar.

Abbildung 1: Grafische Darstellung der in diesem Projekt behandelten Analyten. a) Liposomen und Exosomen lagern sich unspezifisch auf der Sensoroberfläche ab; b) Exosomen, die von Natur aus unterschiedliche Proteine auf der Lipidmembran besitzen. Nur passende Exosomen haften an den auf der Sensoroberfläche immobilisierten Antikörpern, nicht passende Exosomen werden abgewaschen; c) modifizierte Exosomen, die Virusprotein auf ihrer Oberfläche besitzen binden an denselben Antikörper wie das Virus selbst.

[1] A. Markelz, et al., “Pulsed terahertz spectroscopy of DNA, bovine serum albumin and collagen between 0.1 and 2.0 THz,” Chem. Phys. Lett. 320, pp. 42–48, 2000.

[2] M. Walther, et al., “Far-infrared vibrational spectra of all-trans, 9-cis and 13-cis retinal measured by THz time-domain spectroscopy,” Chem. Phys. Lett. 332, pp. 389–395, 2000.

[3] R. J. Falconer et al., “Terahertz Spectroscopic Analysis of Peptides and Proteins,” J Infrared Milli Terahz Waves 33, pp. 973–988, 2012.

[4] R. Kalluri et al., “The biology, function, and biomedical applications of exosomes,” Science 367, 2020.