Neuartige Biosensorplattform ermöglicht eine quantitativ abgestufte Bewertung leichter bis schwerer Leberschäden

Die Echtzeitüberwachung wichtiger Biomarker ist eine entscheidende Voraussetzung für die frühzeitige Krankheitsdiagnose und personalisierte Therapie. Die Früherkennung einer Leberfunktionsstörung beruht insbesondere auf der Messung der Serum-Alanin-Aminotransferase (ALT). Herkömmliche Methoden, einschließlich elektrochemischer, kolorimetrischer und fluoreszenzbasierter Tests, weisen jedoch oft den Nachteil der betrieblichen Komplexität, der hohen Kosten und der begrenzten Empfindlichkeit auf, sodass sie für die Anforderungen einer „schnellen, Echtzeit- und kostengünstigen“ Erkennung bei der klinischen intraoperativen Überwachung oder dem Gesundheitsmanagement zu Hause nicht geeignet sind. Daher birgt die Entwicklung einer neuartigen, praktischen und hochempfindlichen ALT-Erkennungsstrategie einen erheblichen klinischen Wert und ein erhebliches Anwendungspotenzial.

Kürzlich hat das von Prof. Hanyang Li an der Harbin Engineering University geleitete Forschungsteam funktionalisierte Flüssigkristall-Mikrokavitäten (LC) mit der Whispering-Gallery-Mode-Lasertechnologie (WGM) integriert, um eine neuartige Echtzeit-Biosensorplattform zu schaffen (Abbildung 1), die einen hochempfindlichen Nachweis von ALT ermöglicht.

Konstruktion eines funktionalisierten LC-Mikrokavitätssensors

Das Team führte Stearinsäure als funktionelles Molekül in die LC-Mikrokavitäten ein. Durch die Nutzung seiner pH-responsiven Eigenschaften kann das System eine ausgeprägte optische Reaktion auf pH-Schwankungen erzeugen, die durch die ALT-katalysierte enzymatische Reaktion hervorgerufen werden. Diese pH-Änderungen verändern die Verankerungsbedingungen an der Grenzfläche und führen zu reversiblen Übergängen von LC-Molekülen zwischen radialer und bipolarer Konfiguration. Die resultierenden molekularen Orientierungsänderungen modulieren direkt den effektiven Brechungsindex des Mikrohohlraums und induzieren dadurch eine messbare Rotverschiebung der WGM-Laserresonanzwellenlänge. Dieser Mechanismus ermöglicht eine markierungsfreie optische Echtzeiterfassung der ALT-Enzymaktivität.

In-vitro- und In-vivo-ALT-Nachweis

Der normale Referenzbereich für ALT liegt typischerweise bei 0–40 U/L, wobei kritische Schwellenwerte bei 40, 80 und 200 U/L besonders relevant für die frühe Diagnose einer Leberschädigung sind. Experimentelle Ergebnisse zeigten eine hochlineare Korrelation zwischen der ALT-Konzentration (0–240 U/L) und der Reaktionsabschlusszeit, wobei eine Empfindlichkeit von 0,67 s/(U/L) erreicht wurde. Basierend auf der Reaktionsabschlusszeit und der spektralen Peakdynamik ermöglicht die Plattform eine abgestufte Bewertung von leichten (40–80 U/L), mittelschweren (80–200 U/L) und schweren (>200 U/L) Leberschäden und bietet einen quantitativen Rahmen für eine genauere Beurteilung der Leberfunktion.

Um die klinische Anwendbarkeit des vorgeschlagenen ALT-Biosensorik-Ansatzes weiter zu validieren, wurden In-vivo-Tests mit Mäuseserum durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine hervorragende Übereinstimmung mit kommerziellen ALT-Assay-Kits, was die Praktikabilität und das Potenzial der Plattform für die klinische Umsetzung weiter unterstreicht.

Quellen: