Flüssigkristall-Mikrokavitäts-Biosensoren zur Echtzeitüberwachung von Leberschäden mittels WGM-Laser
Die Echtzeitüberwachung wichtiger Biomarker ist eine entscheidende Voraussetzung für die frühzeitige Diagnose von Krankheiten und eine personalisierte Therapie. Die Früherkennung von Leberfunktionsstörungen beruht insbesondere auf der Messung der Alanin-Aminotransferase (ALT) im Serum. Herkömmliche Methoden, darunter elektrochemische, kolorimetrische und fluoreszenzbasierte Tests, sind jedoch häufig in der Handhabung komplex, teuer und nur begrenzt empfindlich und daher für die Anforderungen einer schnellen, kostengünstigen Echtzeit-Erkennung im Rahmen der klinischen intraoperativen Überwachung oder des häuslichen Gesundheitsmanagements ungeeignet. Daher birgt die Entwicklung einer neuen, praktischen und hochempfindlichen Strategie zur ALT-Erkennung erheblichen klinischen Wert und großes Anwendungspotenzial.
Kürzlich hat das Forschungsteam um Prof. Hanyang Li an der Harbin Engineering University funktionalisierte Flüssigkristall-Mikrokavitäten (LC) mit Whispering-Gallery-Mode-Lasertechnologie (WGM) integriert, um eine neuartige Echtzeit-Biosensorplattform zu entwickeln (Abbildung 1), die eine hochempfindliche Erkennung von ALT ermöglicht.
Konstruktion eines funktionalisierten LC-Mikrokavitätensensors
Das Team führte Stearinsäure als funktionelles Molekül in die LC-Mikrokavitäten ein. Durch Ausnutzung seiner pH-reaktiven 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 bewirken reversible Übergänge von LC-Molekülen zwischen radialen und bipolaren Konfigurationen. Die daraus resultierenden Änderungen der Molekülorientierung modulieren direkt den effektiven Brechungsindex der Mikrokavität und induzieren dadurch eine messbare Rotverschiebung in der WGM-Laserresonanzwellenlänge. Dieser Mechanismus ermöglicht eine markierungsfreie optische Erfassung der enzymatischen Aktivität von ALT in Echtzeit.
ALT-Erkennung in vitro und in vivo
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 Frühdiagnose von Leberschäden sind. Versuchsergebnisse zeigten eine hochlineare Korrelation zwischen ALT-Konzentration (0–240 U/l) und Reaktionsabschlusszeit, wodurch eine Sensitivität von 0,67 s/(U/l) erreicht wurde. Basierend auf der Reaktionszeit und der spektralen Peakdynamik ermöglicht die Plattform eine abgestufte Bewertung leichter (40–80 U/l), mittelschwerer (80–200 U/l) und schwerer (> 200 U/l) Leberschäden und bietet einen quantitativen Rahmen für eine genauere Beurteilung der Leberfunktion.
Um die klinische Anwendbarkeit des vorgeschlagenen ALT-Biosensor-Ansatzes weiter zu validieren, wurden In-vivo-Tests mit Mäuseserum durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine hervorragende Übereinstimmung mit kommerziellen ALT-Testkits und untermauerten damit die Praktikabilität und das Potenzial der Plattform für die klinische Umsetzung.
Die vollständige Studie ist über DOI: 10.34133/research.0824 verfügbar.
