Nanobiodetector - Potential and prospects

Die Kombination biologischer Zellen mit Mikroelektronik erlaubt den Nachweis bzw. das 'Screenen' eines breiten Spektrums von Wirkstoffen in der biomedizinischen Diagnostik, in der pharmakologischen Analytik und Umwelt-Analytik. Die Grundlage der modernen Nanobiodetektoren sind hochspezialisierte native oder genmanipulierte Sensor-Zellen bzw. deren Komponenten, die in einem mikroelektronischen/-fluidischen Modul bzw. einer Mikrostruktur in Form eines 'Lab-on-a-chip' integriert sind. Um die Empfindlichkeit zu verstärken, werden Sensor-Zellen eingesetzt, deren Oberfläche durch ausgeprägte Membranfilamente vergrößert ist. Die Überexpression der spezifischen Membranrezeptoren/Kanäle wird durch die genetische Manipulation der Zellen erreicht. Dies erfolgt mit Hilfe der elektrischen Feldpulstechniken (Elektrotransfektion, -fusion). Da bei Nanobiodetektoren überwiegend adhärent wachsende Zellen verwendet werden, wurde ein neues in situ Verfahren entwickelt, welches eine effiziente Plasmid-Transfektion der Zellen in ihren nativen Zustand ermöglicht. Ohne die kultivierten Zellen vom Substrat abzulösen, werden diese in Gegenwart von Plasmiden elektropermeabilisiert und anschließend auf dem gleichen Substrat weiter kultiviert, wodurch sehr hohe Überlebensraten erreicht werden können. Elektrofusion in Mikrostrukturen stellt ein weiteres Verfahren zur Herstellung von genmanipulierten Sensor-Zellen dar. Die Fusionspartner werden an Elektrodenspitzen dielektrophoretisch angezogen, durch eine Erhöhung der Feldstärke kommt es zu engem Membrankontakt, die Applikation eines kurzen Gleichstrompulses hoher Feldstärke führt zur Zellfusion. Die Erfassung der Wechselwirkungen der zu untersuchenden Substanzen mit Zellmembranen kann durch Dielektrophorese (DEP) und Elektrorotation (ROT) erfolgen. Ein wichtiger Vorteil der nichtinvasiven DEP- und ROT-Techniken besteht darin, dass die Sensor-Zellen nach der Messung intakt bleiben und für weitere Analysen zur Verfügung stehen.