Das Ziel dieses Projektes war es eine schnelle, kostengünstige und ultrasensitive elektrochemische Lab-on-a-Chip (LOC) Plattform zu entwickeln, die simultan unterschiedliche microRNAs (µRNAs) ohne Probenvorbereitung detektieren kann.

Das Projekt bestand aus drei wesentlichen Hauptgruppen: Die Herstellung des Mikrochips, das Auffinden von potenziellen Biomarkern (µRNAs) für die Tumorklassifizierung und die Entwicklung einer hochsensitiven sowie selektiven Detektionsmethode.

Der Mikrochip, der fingerartige Strukturen im Nanometerbereich aufweist, wird mit den Fertigungstechnologien der Halbleiterindustrie hergestellt. Diese fingerartigen Strukturen dienen als Elektroden für die elektrochemische Messung. Unterschiedlichste Materialien (Pt, Au, Carbon) wurden dabei als Elektrode verwendet und das elektrochemische Verhalten studiert. Eine spezielle elektrochemische Methode, bei der bestimmte Substanzen oxidiert und wieder reduziert wird, wurde dabei angewendet (redox cycling). Diese Substanzen verhält sich je nach Elektrodenmaterial unterschiedlich.

Der Vorteil ist, dass dadurch eine Signalverstärkung gegenüber den nur oxidierten oder nur reduzierten Sensoren sich erzielen lassen. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, umso höher ist die Signalverstärkung. Unsere Versuche haben gezeigt, dass dies Verstärkung sehr stark von dem verwendeten Elektrodenmaterial sowie von der Substanz abhängt. Das größte konstante Signalverstärkungsfenster konnte bei Gold erzielt werden bei einer Signalverstärkung von 161. Dabei betrug der Elektrodenabstand 100 nm und als Redox Substanz kam Ferrocenemethanol (FcMeOH) zur Anwendung. Carbon als Elektrodenmaterial hingegen zeigt ein nicht konstantes Verstärkungsfenster auf, was den Einsatzbereich limitiert. Unterschiedliche Kombinationen von Redox Substanzen und Elektroden Materialen wurden untersucht, um eine maximale Signalverstärkung zu erhalten. Nicht nur die Signalversärkung steht dabei im Vordergrund sondern auch die Stabilität sowie der mögliche Messbereich.

Zusätzlich wurden potenzielle Biomarker, in Summe 50 hoch aggressive Hirntumore (Medulloblastome und ETMR) von Kleinkindern, untersucht und analysierte mit einer „High Troughphut“ Methode mehr als 870 Tumor assozierte µRNAs pro Sample. Es wurden für beide Tumoridentitäten jeweils ein speziell  hoch regulierter µRNA Cluster identifiziert und in weiterer Folge auch in den Serum Proben der Patienten mit einem erhöhten Wert gefunden. Außerdem konnten die detektieren Werte auch in Korrelation mit dem Tumorverlauf gebracht werden. Je aggressiver und resistenter ein Tumor war, umso höher sind die entsprechenden µRNAs im Serum der Patienten nachweisbar gewesen.

Damit die µRNAs detektiert werden können braucht es ein System, das die Handhabung der Flüssigkeiten übernimmt und gezielt die µRNAs detektieren kann. Diese Fluidik-System (LOC) muss auch die Methode enthalten, die sehr sensitiv, sowie sehr selektive die bestimmte µRNA detektiert. Dabei wurde in diesem Projekt ein neuartiges elektrochemisches System basierend auf CRISPR/Cas13a entwickelt. Damit ist es möglich sehr selektiv die gewünschten µRNAs zu detektieren.

Das Projekt wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds gefördert (Austrian Science Fond FWF: I3419).

Weiterführende Informationen

Publikationen: 
V. Matylitskaya, S. Kasemann, G. Urban, C. Dincer, S. Partel, “Electrochemical characterization of nanogap interdigitated electrode arrays for lab-on-a-chip applications”, J. Electrochem. Soc., 2018,165(3), B127 - B134.

Senfter D, Samadaei M, Mader RM, Gojo J, Peyrl A, Krupitza G, Kool M, Sill M, Haberler C, Ricken G, Czech T, Slavc I and Madlener S*.  High impact of miRNA-4521 on FOXM1 expression in medulloblastoma. Accepted Manuscript in Cell death and Disease, 2019 Aug. doi:10.1038/s41419-019-1926-1

Bruch R, Baaske J, Chatelle C, Meirich M, Madlener S, Weber W, Dincer C and Urban G.CRISPR/Cas13a powered electrochemical microfluidic biosensor for nucleic acid amplification-free miRNA diagnostics. Accepted in Advanced Materials, Sept.2019 DOI: 10.1002/adma.201905311

Wieland, F.; Bruch, R.; Bergmann, M.; Partel, S.; Urban, G. A.; Dincer, C. Enhanced Protein Immobilization on Polymers—A Plasma Surface Activation Study. Polymers 2020, 12 (1), 104. https://doi.org/10.3390/polym12010104.

Madlener S, Gojo J. Liquid Biomarkers for Pediatric Brain Tumors: Biological Features, Advantages and Perspectives. J Pers Med. 2020;10(4):254. Published 2020 Nov 27. doi:10.3390/jpm10040254

Bruch, R, Johnston, M, Kling, A, Mattmüller, T, Baaske, J, Partel, S, Madlener, S, Weber, W, Urban, G A & Dincer, C. CRISPR-powered electrochemical microfluidic multiplexed biosensor for target amplification-free miRNA diagnostics. Biosensors and Bioelectronics 177, 112887 (2021).

 

Internationale Konferenzbeiträge:
Mai 2019 - poster presentation at the SNO in San Francisco USA “High impact of miRNA-4521 on FOXM1 expression in medulloblastoma”.

December 2018 - oral talk at the CCC CNS Meeting in Vienna Austria “Liquid Biopsy – the search for the needle in a haystack”.

S. Partel, V. Matylitskaya: Fabrication and Characterization of Interdigitated Electrode Arrays with Nano-gaps for Highly Sensitive Electrochemical Applications, Invited talk at AnalytiX-2017, 22-24. March 2017, Fukuoka, Japan

V. Matylitskaya, S. Partel: Electrochemical characterization of interdigitated electrode arrays with nanogaps for various reversible redox couples, Talk at BioNanoMed 2017, 20-22. March 2017, Krems, Austria

V. Matylitskaya, S. Partel: Electrochemical characterization of nanogap interdigitated electrode arrays for Lab-on-a-Chip applications, Invited talk at 232nd ECS Meeting, 1-5. October 2017, Washington, USA

Kostal, E.; Kasemann, S.; Dincer, C.; Partel, S. Impedimetric Characterization of Interdigitated Electrode Arrays for Biosensor Applications. Proceedings 2018, 2 (13), 899. Poster at EUROSENSOR Graz https://doi.org/10.3390/proceedings2130899.

Laubender E., Matylitskaya V., Kostal E., Kasemann S., Urban G. A., Partel S., Dincer C., "Gold Nanogap Interdigitated Arrays for Redox Cycling Amplified Dopamine Detection," 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII), Berlin, Germany, 2019, pp. 1017-1020.

Partel S., Matylitskaya V., “Carbon nanogap electrode arrays for electrochemical sensors and biosensors”, poster at 45th International Conference on Micro & Nano Engineering, Rhodos, Greece, 2019
 

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Dr. Stefan Partel
Litographie und Sensorik

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