Dieser Artikel beschreibt die jüngsten Fortschritte bei elektrochemischen Biosensoren und ihren bedeutenden Einfluss auf die Point-of-Care-Diagnostik, insbesondere bei der Erkennung von Mikroorganismen und zur Unterstützung der öffentlichen Gesundheit. Er behandelt technologische Entwicklungen bei Aptameren, Phagen, Antikörpern und DNA-Biosensoren sowie die Frage, wie Nanomaterialien die Leistung von Biosensoren verbessern. Der Artikel geht auch auf die Herausforderungen und Lösungen in diesem Bereich ein, einschließlich ethischer Fragen und Risikomanagement. Er betont die Bedeutung und die zunehmende Nutzung dieser Biosensoren in verschiedenen Bereichen, einschließlich Lebensmittelsicherheit und medizinischer Diagnostik.
Zahra Yousefnia (Zahraalsadat Yousefniayejahromi) , Cademix Institute of Technology, Austria
1. Elektrochemische Biosensoren zur Erkennung von Mikroorganismen
Die zunehmende Besorgnis über lebensmittelbedingte Krankheitserreger in der Lebensmittelindustrie hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Diese schädlichen Mikroorganismen in Lebensmitteln stellen erhebliche Risiken für die öffentliche Gesundheit dar und können während der Lebensmittelverarbeitung zu erheblichen finanziellen Verlusten führen. Es ist eine große Herausforderung, sicherzustellen, dass Lebensmittel sicher und von hoher Qualität bleiben. Daher ist die schnelle und genaue Erkennung schädlicher Bakterien in Lebensmitteln von entscheidender Bedeutung. Traditionelle Methoden zur Erkennung dieser Krankheitserreger sind oft langsam, erfordern mehrere Schritte und sind teuer.
Die Einführung von Biosensoren stellt jedoch eine sehr effektive Lösung für die präzise Erkennung lebensmittelbedingter Krankheitserreger dar. Ein wichtiger Vorteil von Biosensoren ist ihre Fähigkeit, Pathogene empfindlich zu identifizieren, ohne dass eine umfangreiche Probenvorbereitung erforderlich ist. Diese Systeme bestehen typischerweise aus drei Hauptkomponenten: Transducern, die biologische Interaktionen in messbare Signale wie elektrochemische oder optische Signale umwandeln; Biorezeptoren, einschließlich Phagen, Aptameren, Antikörpern und DNA, die für die Erkennung und Bindung an die Zielpathogene verantwortlich sind; und Detektoren, die die Signale aufzeichnen und quantifizieren [1].
Electrochemical biosensing gewinnt an Popularität, da es schnelle Reaktionszeiten, niedrige Kosten, hohe Empfindlichkeit und Stabilität bietet. Zusätzlich werden Nanomaterialien in der Herstellung elektrochemischer Nano-Biosensoren zunehmend wichtig. Ihr Einsatz verbessert die elektrische Leitfähigkeit und ermöglicht die richtige Orientierung der biorecognitiven Elemente, wodurch die Effizienz des Einfangens von Bakterien verbessert wird. Diese Fortschritte in der Biosensortechnologie revolutionieren die Erkennung lebensmittelbedingter Krankheitserreger und bieten schnellere, kostengünstigere und genauere Methoden zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit.
2. Biologische Erkennungselemente
2.1. DNA-Aptamere
2.1.1. Neue Entwicklungen: Techniken zur Aptamer-Modifikation
Das Design elektrochemischer Biosensoren entwickelt sich rasant weiter, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Modifikationstechniken für Aptamere liegt. Diese Fortschritte haben zur Entwicklung innovativer DNA-Aptasensoren geführt, die die Point-of-Care-Diagnostik erheblich verändern. Forschende steigern die Sensitivität und Spezifität dieser Biosensoren, indem sie die Struktur und Funktionalität von Aptameren – spezialisierten DNA- oder RNA-Molekülen – gezielt anpassen. Diese Entwicklungen sind besonders wertvoll in der medizinischen Diagnostik, da der Nachweis geringster Biomarkerkonzentrationen entscheidend für die frühe Erkennung von Krankheiten ist.
2.1.2. Anwendungen: Aptasensoren zum Nachweis pathogener Bakterien
Aptamere in elektrochemischen Biosensoren sind äußerst vielseitig – sowohl zur Bewertung der Lebensmittelqualität als auch in der biomedizinischen Diagnostik. Ihre Fähigkeit, selektiv an verschiedene Zielmoleküle zu binden, reicht von lebensmittelbedingten Krankheitserregern bis zu Krebsmarkern und macht Aptasensoren zu unverzichtbaren Werkzeugen für Lebensmittelsicherheit und Früherkennung von Krankheiten.
E. Ferapontova et al. entwickelten einen kosteneffizienten immunmagnetischen Assay, der einzelne Bakterienzellen wie Escherichia coli mit hoher Spezifität und Empfindlichkeit erkennen kann. Dieser kombiniert Cellulase-Enzyme mit Aptameren oder Antikörpern auf magnetischen Beads, um die elektrische Leitfähigkeit einer Elektrode zu verändern. Dadurch wird die zuverlässige Detektion und Quantifizierung ermöglicht – ohne Störung durch andere Spezies [3].
Z. Yousefniayejahromi et al. entwickelten einen innovativen Aptasensor basierend auf einer goldscreen-gedruckten Elektrode zur Erkennung von E. coli in verschiedenen biologischen Proben wie Urin, Fäzes, Milch und Wasser [4].
2.1.3. Fortschritte bei Auswahl und Modifikation von Aptameren
Die Auswahl und gezielte Modifikation von Aptameren spielt eine zentrale Rolle bei den jüngsten Fortschritten elektrochemischer Biosensoren. Die SELEX-Technologie (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) wurde verfeinert, um Aptamere mit erhöhter Bindungsfähigkeit zu erzeugen. Diese Fortschritte bilden die Grundlage für hochpräzise, leistungsstarke Biosensoren für vielfältige biologische und chemische Ziele.
2.1.4. DNA-Biosensoren und Aptasensoren: Eine leistungsstarke Kombination
Die Kombination von Aptasensoren mit anderen Biorezeptoren stellt eine bedeutende technologische Entwicklung dar. Diese Synergie verbindet die hohe Selektivität von DNA mit der Vielseitigkeit aptamerbasierter Erkennung. Dadurch entstehen schnellere, präzisere und zuverlässigere Point-of-Care-Diagnostiktests – ein entscheidender Schritt für medizinische Anwendungen, in denen schnelle Ergebnisse notwendig sind.
2.1.5. Zukunft der Schnelltests: Aptamer-integrierte elektrochemische Biosensoren
Elektrochemische Aptasensoren sind ein entscheidender Bestandteil der nächsten Generation schneller Diagnosetests. Ihre Integration verspricht schnellere, genauere und besser zugängliche Testmöglichkeiten. Darüber hinaus besitzen aptamerbasierte elektrochemische Biosensoren großes Potenzial für personalisierte Medizin, Umweltmonitoring und viele weitere Anwendungsbereiche.
2.2. Bakteriophagen
2.2.1. Einführung in phagenbasierte elektrochemische Biosensoren
Bakteriophagen (Phagen) sind Viren, die spezifisch Bakterien infizieren [5]. Aufgrund ihrer hohen Spezifität gegenüber bestimmten Bakterienstämmen sind sie vielversprechende Erkennungselemente für elektrochemische Biosensoren. Diese Sensoren erfassen die Interaktion zwischen Phagen und Zielbakterien und wandeln sie in ein elektrochemisches Signal um – ein entscheidender Vorteil für die präzise Erkennung infektiöser Krankheitserreger.
2.2.2. Funktionsprinzip phagenbasierter Biosensoren
Das Funktionsprinzip beruht auf der spezifischen Bindung eines Phagen an sein Zielbakterium. Diese Bindung führt zu Veränderungen in den elektrochemischen Eigenschaften des Systems. Die Veränderungen werden über Strom, Spannung oder Impedanz gemessen und können direkt mit der Konzentration des Pathogens korreliert werden. Techniken wie Amperometrie, Potentiometrie und Impedanzspektroskopie werden hierfür häufig eingesetzt.
2.2.3. Vorteile beim Nachweis infektiöser Krankheiten
Phagenbasierte Biosensoren bieten mehrere Vorteile:
- hohe Spezifität und niedrige Rate falsch-positiver Ergebnisse
- schnelle Reaktionszeiten innerhalb weniger Minuten
- Eignung für portable Point-of-Care-Systeme
Diese Eigenschaften machen sie besonders wertvoll in zeitkritischen klinischen Anwendungen.
2.2.4. Neue Entwicklungen und Anwendungen
Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf erhöhte Sensitivität und die Erweiterung der detektierbaren Pathogenpalette. Dies umfasst gentechnisch verbesserte Phagen sowie die Integration von Nanomaterialien zur Signalverstärkung.
Z. Yousefniayejahromi et al. entwickelten den Zeno-Phagen-Sensor zur Erkennung von Staphylococcus aureus in Synovialflüssigkeit mit einem linearen Bereich von 10¹–10⁴ CFU/ml und einer Nachweisgrenze von 6 CFU/ml [6].
Moghtader et al. steigerten die Sensitivität der Impedanzspektroskopie durch beschichtete Graphitelektroden mit Goldnanorods (GNRs) und erreichten eine Nachweisgrenze von 100 CFU/ml für E. coli K12 [7].
2.3. Antikörper
2.3.1. Einführung in antikörperbasierte elektrochemische Biosensoren
Antikörper bieten eine hohe Spezifität und Sensitivität beim Nachweis verschiedenster Biomoleküle. In elektrochemischen Biosensoren dienen sie als Erkennungselemente, die selektiv an Antigene wie Proteine, Hormone oder Pathogene binden und die Bindung in elektrische Signale umwandeln.
2.3.2. Vorteile und Anwendungen beim Bakteriennachweis
Antikörper ermöglichen die Detektion sehr geringer Konzentrationen klinisch relevanter Moleküle und eignen sich daher hervorragend für medizinische Frühdiagnosen. Viele Systeme sind portabel und unterstützen Point-of-Care-Anwendungen – sowohl im klinischen Umfeld als auch in abgelegenen Regionen.
2.3.3. Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen
Antikörper können unter bestimmten Bedingungen ihre Stabilität verlieren, was die Genauigkeit von Messungen beeinträchtigt. Die Forschung arbeitet an stabileren Materialien und verbesserten Plattformen, während digitale Technologien und KI der nächsten Generation die Genauigkeit weiter steigern werden.
2.4. DNA
2.4.1. Einführung in DNA-Biosensoren in der klinischen Diagnostik
DNA-Biosensoren erlauben den spezifischen Nachweis genetischer Marker und sind entscheidend für die schnelle Diagnose von Infektionen oder genetischen Erkrankungen. Die Technologie basiert auf der selektiven Bindung an Ziel-DNA-Sequenzen. Ace Infectious entwickelte nanoskalige DNA-Sensoren zur Identifikation spezifischer Bakterien [8].
2.4.2. Herausforderungen und Einschränkungen
Schwierigkeiten ergeben sich bei komplexen biologischen Proben, begrenzter Sensitivität für sehr geringe DNA-Mengen sowie logistischen und wirtschaftlichen Hürden bei der Integration in klinische Systeme.
2.4.3. Fortschritte in der Technologie DNA-basierter Biosensoren
Neue elektrochemische Methoden erhöhen die Sensitivität erheblich. Miniaturisierung und Automatisierung ermöglichen portable Tests mit sofortigen Ergebnissen.
2.4.4. Klinische Anwendungen von DNA-Biosensoren
Sie werden zunehmend zur Früherkennung von Krebs eingesetzt, durch Identifikation genetischer Mutationen, sowie zur schnellen Erkennung pathogener DNA bei infektiösen Erkrankungen – entscheidend zur Eindämmung von Ausbrüchen.
2.4.5. Zukunftsperspektiven der DNA-Biosensorik
Die Integration fortgeschrittener Materialien wie Graphen oder Quantenpunkte sowie KI-basierte Datenanalysen wird DNA-Biosensoren weiter präzisieren und personalisierte Diagnostik ermöglichen.
3. Vergleich zwischen verschiedenen Biorecognition-Elementen
Die Biorecognition-Elemente wie Antikörper, Aptamere, Bakteriophagen und DNA können die Leistungsfähigkeit von Biosensoren durch die Bildung komplementärer Strukturen mit hoher Affinität verbessern. Dennoch weisen die biologischen Erkennungselemente in elektrochemischen Biosensoren jeweils spezifische Vorteile und Herausforderungen auf.
Aptamere zeigen zwar hohe Spezifität und Affinität und bieten dadurch eine breite Anwendungsvielfalt, können jedoch im Laufe der Zeit degradieren und benötigen spezielle Lagerbedingungen. Bakteriophagen bieten eine ausgeprägte Spezifität gegenüber bakteriellen Stämmen und ermöglichen schnelle Reaktionszeiten, sind jedoch auf den Nachweis bakterieller Pathogene beschränkt und setzen voraus, dass das Zielpathogen zuvor bekannt ist.
Antikörper sind für ihre außergewöhnliche Spezifität und Empfindlichkeit bekannt, wodurch sie sich zur Erkennung verschiedenster Biomoleküle und für Point-of-Care-Tests eignen. Allerdings können sie unter bestimmten Bedingungen ihre Wirksamkeit verlieren und verursachen zudem Produktions- und Lagerkosten. DNA-Biosensoren, häufig in tragbare Geräte integriert, ermöglichen die präzise Identifikation genetischer Marker und die frühzeitige Erkennung von Krankheiten. Dennoch reagieren sie empfindlich auf komplexe biologische Proben und erfordern geschultes Personal sowie geeignete Laborausrüstung.
Jedes Erkennungselement besitzt somit eigene Stärken und Einschränkungen, was die Bedeutung einer sorgfältigen Auswahl basierend auf Anwendung und spezifischen Anforderungen unterstreicht (Tabelle 5).
Table 5. Comparison of various bireceptors
Table 5. Comparison of various bireceptors
| Biological Recognition Elements | Advantages | Disadvantages |
| Aptamers | – High specificity and affinity for targets -Versatile applications in various fields -Modification techniques for enhancement | – Potential degradation over time – Requires specific conditions for storage -Limited to certain types of molecules |
| Bacteriophage | -Specificity in targeting bacterial strains – Rapid response time for quick results – Applicable in healthcare and food safety | – Limited to bacterial pathogen detection – Be not able to detect non-bacterial pathogens – Require prior knowledge of the pathogen |
| Antibody | – High specificity and sensitivity – Useful for detecting various biomolecules – Portable and suitable for point-of-care testing | – Limited to antigen-antibody interactions – May lose effectiveness under certain conditions – Costly production and storage |
| DNA | – Precise identification of genetic markers – Early detection of diseases – Integration into portable devices | – Sensitivity to complex biological samples – Requires skilled operators and equipment – Limited to DNA-based diagnostics |
4. Der Einfluss von Nanomaterialien auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Biosensoren zur Gesundheitsüberwachung
4.1. Verbesserung von Sensitivität und Präzision
Nanomaterialien haben bemerkenswerte Fortschritte in der Leistungsfähigkeit elektrochemischer Biosensoren ermöglicht. Ein zentraler Vorteil besteht in ihrer Fähigkeit, die Sensitivität und Genauigkeit deutlich zu steigern. Durch die Nutzung nanoskaliger Materialien wie Nanopartikel, Nanodrähte und Nanoröhren können Biosensoren extrem geringe Mengen von Zielmolekülen nachweisen. Dies ist in der medizinischen Diagnostik entscheidend, da die Früherkennung von Krankheiten häufig auf dem Nachweis sehr niedriger Biomarkerkonzentrationen beruht. Nanomaterialien erhöhen auch die Präzision von Biosensoren, indem sie das Risiko fehlerhafter Ergebnisse verringern. Durch Oberflächenmodifikationen mit Nanomaterialien können Biosensoren eine präzise molekulare Erkennung erreichen und sicherstellen, dass ausschließlich die gewünschten Biomoleküle identifiziert werden.
4.2. Schnelle Reaktionszeiten
Nanomaterialien verkürzen die Reaktionszeiten elektrochemischer Biosensoren erheblich. Aufgrund ihrer im Verhältnis zur Größe sehr großen Oberfläche erleichtern sie den schnellen Elektronentransfer, was zu deutlich schnelleren Sensorantworten führt. Diese Schnelligkeit ist für Point-of-Care-Diagnostik unverzichtbar, da schnelle Ergebnisse entscheidend für zeitnahe Entscheidungen sind. Beispielsweise liefern mit Nanomaterialien verbesserte Biosensoren nahezu sofortige Messwerte bei der Erkennung infektiöser Erreger oder der Überwachung des Glukosespiegels bei Diabetespatienten. Diese Beschleunigung verbessert nicht nur die Patientenversorgung, sondern wirkt sich auch auf Umweltüberwachung und Lebensmittelsicherheit aus.
4.3. Verbesserung von Stabilität und Langlebigkeit
Nanomaterialien spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der Stabilität und Haltbarkeit elektrochemischer Biosensoren. Ihre einzigartigen Eigenschaften – einschließlich hoher chemischer Stabilität und Resistenz gegenüber Degradation – machen sie zu idealen Bestandteilen langlebiger Sensorkonstruktionen. Durch die Integration von Nanomaterialien in die Sensorarchitektur können Forschende sicherstellen, dass die Leistung des Biosensors über längere Zeiträume konstant bleibt. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen der kontinuierlichen Überwachung, wie zum Beispiel tragbare Biosensoren für das Gesundheitsmonitoring. Zudem können Nanopartikel die Widerstandsfähigkeit der Sensoren erhöhen, sodass sie in unterschiedlichen Umgebungen, einschließlich extremen pH-Werten, stabil funktionieren. Dank dieser Vielseitigkeit können elektrochemische Biosensoren in verschiedensten Anwendungsszenarien zuverlässig eingesetzt werden.
5. Identifikation weiterer Analyten
Der elektrochemische Biosensor kann sowohl Bakterien als auch verschiedene Proteine erkennen, darunter Glukose, Krebsmarker und andere Biomoleküle.
5.1. Nachweis von Glukose
Han et al. verwendeten genetisch modifizierte M13-Phagen. Die Forschenden beschreiben die Synthese gentechnisch erzeugter, phagentemplatierter MnO₂-Nanodrähte. Diese Nanodrähte spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung eines effektiven elektrochemischen Glukosebiosensors, der unter neutralen pH-Bedingungen optimal arbeitet. Die Studie liefert einen wichtigen Beitrag zur Biosensorforschung, da sie einen neuartigen Ansatz für die Glukosemessung unter neutralem pH vorstellt [9].
Die Studie stellt zudem einen bedeutenden Fortschritt in der Pflanzenbiologie dar, indem DNA-Aptamere erstmals als pflanzliche Biosensoren eingesetzt wurden – ein zuvor kaum erforschtes Gebiet. Ihre Anwendung war bisher durch Herausforderungen beim DNA-Transport in Pflanzen begrenzt. MOU et al. entwickelten jedoch eine effizientere Methode zur Einführung von DNA in Zellen von Arabidopsis- und Tabakblättern. Damit gelang die Einführung eines Glukose-DNA-Aptamer-Sensors in Arabidopsis, wodurch erstmals die Glukoseerkennung in Pflanzen ermöglicht wurde. Diese Innovation eröffnet neue Wege, um pflanzenbiologische Prozesse detaillierter zu untersuchen [10].
An der UT Dallas entwickelten Forschende eine dünne, flexible Elektrode zur Echtzeit-Glukosemessung unter der Haut. Sie lässt sich leicht im Körper kalibrieren und wird nicht durch andere Blutbestandteile beeinflusst. Ihre Genauigkeit wurde durch Vergleiche mit bekannten Glukosewerten in Blutproben bestätigt [11].
An der Malmö University wandelt das Enzym auf dem Sensor Glukose im Blut um und löst eine Reaktion aus, die der Sensor registriert [12].
Vallée-Bélisle et al. entwickelten einen elektrochemischen DNA-basierten Immunoassay zum Nachweis kleiner Moleküle im Blut. Die Forschung zielt darauf ab, eine Methode für schnelle und präzise Messungen kleiner Moleküle in Vollblut zu schaffen, was weltweit erhebliche Vorteile für die Gesundheitsversorgung bietet. Diese Methode, zuvor mit DNA-Strängen getestet, nutzt ein Verfahren, bei dem große Antikörper, die an einem DNA-Strang befestigt sind, dessen Bindung an einen zweiten Strang erschweren. Der Test, CeSHHA genannt, kann kleine Moleküle in komplexen Matrizes wie Blut oder Boden quantifizieren. Als kostengünstiges Verfahren besitzt er großes Potenzial für die Vor-Ort-Diagnostik und Therapieüberwachung [13].
Am Complejo Industrial Chihuahua entwickelten Forschende einen neuen Sensor aus laserinduziertem Graphen und Silbernanopartikeln (AgNPs) zur Glukosebestimmung im Speichel. Dieser nicht-enzymatische Sensor bietet eine innovative, einfachere und potenziell zuverlässigere Alternative zu herkömmlichen Methoden [14].
5.2. Identifikation weiterer Proteine
Günter Mayer et al. entwickelten einen innovativen Aptasensor zum Nachweis von Lysozym unter Verwendung von Siebdruckelektroden, die mit Kohlenstoffnanoröhren modifiziert wurden. Die Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da sie einen markierungsfreien, spezifischen Lysozymnachweis ermöglicht [15].
Am Austrian Institute of Technology (AIT) entwickelten Forschende einen kostengünstigen, neuartigen Biosensor auf Nanomaterialbasis, der Nukleinsäuren und Proteine in Blut- und Speichelproben erkennen kann [16].
Am Keck Graduate Institute entwickelte Aran et al. einen tragbaren, graphenbasierten Biosensor zur Proteinerkennung [17].
An der UT Dallas University entwickelten Schmidtke et al. einen neuartigen enzymatischen Biosensor für den schnellen Nachweis von Acetylcholin, einem wichtigen Neurotransmitter. Das System nutzt elektrochemische Impedanzspektroskopie und ein spezifisches Enzym (Acetylcholinesterase), das an winzige Goldelektroden gebunden ist. Diese Konstruktion ermöglicht eine präzise Messung von Acetylcholin im Gehirn – trotz hoher Komplexität des Gewebes und der kurzen Lebensdauer des Moleküls. Der Biosensor funktioniert zuverlässig in unterschiedlichen Umgebungen, einschließlich Hirngewebe, und zeigt großes Potenzial für zukünftige neurowissenschaftliche Forschung [18].
An der Université de Montréal entwickelten Forschende DNA-basierte elektrochemische Sensoren zur Identifikation von Proteinen im Blut [19].
Am Institute of Animal Reproduction and Food Research entwickelten Forschende neue Plattformen und Systeme für elektrochemische (Bio)Sensoren, insbesondere solche mit Kohlenstoff- oder Goldnanomaterialien in ihren Transducern. Sie kombinierten diverse biologische Rezeptoren – darunter Proteine, Enzyme, Antikörper, einzelsträngige Nukleinsäuren (ssDNA), Aptamere und ssDNA-G-Quadruplexe – zur Erkennung von Biomarkern für Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, neurodegenerative Störungen und Diabetes. Darüber hinaus untersuchten sie die Wirkung bestimmter Lebensmittelbestandteile auf die menschliche Gesundheit, etwa Lipoproteinoxidation und Proteinaggregation, und entwickelten neue synthetische Verbindungen zur Hemmung wichtiger Proteine. Zudem arbeiteten sie an Systemen für eine gezielte, kontrollierte Verabreichung therapeutischer Substanzen direkt an Krebszellen [20].
6. Einschränkungen und zukünftige Perspektiven elektrochemischer Biosensoren in der Point-of-Care-Diagnostik
Elektrochemische Biosensoren, obwohl vielversprechend, weisen mehrere Schwächen und Einschränkungen auf. Erstens erfordern sie häufig komplexe Instrumente und geschultes Personal, was ihre Zugänglichkeit in ressourcenarmen Umgebungen stark begrenzt. Diese technische Komplexität führt zudem zu höheren Kosten und erschwert eine breite Implementierung, insbesondere in Ländern mit niedrigem Einkommen. Darüber hinaus haben elektrochemische Biosensoren oft Schwierigkeiten beim gleichzeitigen Nachweis mehrerer Zielmoleküle – ein entscheidendes Kriterium für umfassende Diagnostik in bestimmten klinischen Situationen. Diese Einschränkungen verdeutlichen die Notwendigkeit benutzerfreundlicher und kostengünstiger Biosensoren, die multiplexe Analysen zuverlässig durchführen können.
Eine weitere wesentliche Herausforderung besteht in möglichen Interferenzen durch komplexe biologische Matrices. Biologische Proben enthalten häufig eine Vielzahl von Substanzen, die elektrochemische Signale beeinflussen können, was zu falsch-positiven oder falsch-negativen Ergebnissen führt. Die Bewältigung dieses Problems erfordert fortgeschrittene Oberflächenmodifikationen und verbesserte Signalverarbeitungstechniken, um die Spezifität zu erhöhen und Kreuzreaktionen zu minimieren. Darüber hinaus können Stabilität und Haltbarkeit elektrochemischer Biosensoren im Laufe der Zeit abnehmen, was sich negativ auf ihre langfristige Zuverlässigkeit auswirkt. Forschende arbeiten daher intensiv an der Weiterentwicklung von Sensormaterialien und Beschichtungen, um diese Schwächen zu beheben und die Lebensdauer der Biosensoren zu verlängern.
Im Hinblick auf zukünftige Perspektiven besitzen elektrochemische Biosensoren ein enormes Potenzial. Miniaturisierung und die Integration von Nanomaterialien eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Sensitivität, Verkürzung der Reaktionszeiten und Steigerung der Robustheit dieser Sensoren. Fortschritte in künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen können zudem die Datenanalyse und -interpretation erheblich verbessern, wodurch Biosensoren intelligenter werden und aussagekräftigere diagnostische Informationen liefern können. Darüber hinaus eröffnet die Integration von Biosensoren in tragbare Geräte und das Internet der Dinge (IoT) neue Wege für kontinuierliches Gesundheitsmonitoring und Echtzeit-Datenübertragung. Diese Entwicklungen weisen auf eine vielversprechende Zukunft hin, in der elektrochemische Biosensoren eine zentrale Rolle bei der Revolutionierung von Diagnostik, Krankheitsmanagement und personalisierter Medizin spielen.
7. References
[1] Wu, J., Liu, H., Chen, W. et al. (2023). Device integration of electrochemical biosensors. NatureReviews Bioengineering, 1, 346-360. DOI: 10.1038/s44222-023-00032-w [2] https://www.creative-biolabs.com/ [3] Pankratov, D., Bendixen, M., Shipovskov, S., Gosewinkel, U. and Ferapontova, E.E., 2020. Cellulase-linked immunomagnetic microbial assay on electrodes: Specific and sensitive detection of a single bacterial cell. Analytical Chemistry, 92(18), pp.12451-12459. DOI: 10.1021/acs.analchem.0c02262 [4] https://cff.dcci.unipi.it/latest/cff2023.html [5] https://iem.creative-biostructure.com [6] http://www.societasim.it [7] Moghtader, F., Congur, G., Zareie, H.M., Erdem, A. and Piskin, E., 2016. Impedimetric detection of pathogenic bacteria with bacteriophages using gold nanorod deposited graphite electrodes. RSC advances, 6(100), pp.97832-97839. DOI: doi.org/10.1039/C6RA18884B [8] https://www.superbioz.com/rapid-detection-of-superbugs-using-dna-nanosensor.html [9] Han, L.; Shao, C.; Liang, B.; Liu, A. Genetically Engineered Phage-Templated MnO2 Nanowires: Synthesis and Their Application in Electrochemical Glucose Biosensor Operated at Neutral pH Condition. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 13768–13776. DOI: doi.org/10.1021/acsami.6b03266 [10] Mou, Q., Xue, X., Ma, Y., Banik, M., Garcia, V., Guo, W., Wang, J., Song, T., Chen, L.Q. and Lu, Y., 2022. Efficient delivery of a DNA aptamer-based biosensor into plant cells for glucose sensing through thiol-mediated uptake. Science Advances, 8(26), p.eabo0902. DOI: 10.1126/sciadv.abo0902 [11] https://be.utdallas.edu/ [12] https://mau.se/en/news/new-smart-solutions-could-replace-current-infection-testing/ [13] Mahshid, S.S., Ricci, F., Kelley, S.O. and Vallée-Bélisle, A., 2017. Electrochemical DNA-based immunoassay that employs steric hindrance to detect small molecules directly in whole blood. ACS sensors, 2(6), pp.718-723. DOI: 10.1021/acssensors.7b00176 [14] Aparicio-Martínez, E.P., Vega-Rios, A., Osuna, V. and Dominguez, R.B., 2023. Salivary Glucose Detection with Laser-Induced Graphene/AgNPs Non-Enzymatic Sensor. Biosensors, 13(2), p.207.
DOI: 10.3390/bios13020207 [15] Rohrbach, F., Karadeniz, H., Erdem, A., Famulok, M. and Mayer, G., 2012. Label-free impedimetric aptasensor for lysozyme detection based on carbon nanotube-modified screen-printed electrodes. Analytical Biochemistry, 421(2), pp.454-459. DOI: 10.1016/j.ab.2011.11.034 [16] https://www.ait.ac.at/ [17] https://www.kgi.edu/ [18] https://be.utdallas.edu/people/faculty/david-schmidtke/ [19] Mahshid, S.S., Camiré, S., Ricci, F. and Vallée-Bélisle, A., 2015. A highly selective electrochemical DNA-based sensor that employs steric hindrance effects to detect proteins directly in whole blood. Journal of the American Chemical Society, 137(50), pp.15596-15599. DOI: 10.1021/jacs.5b04942 [20] https://pan.olsztyn.pl/research-dissemination/scientific-groups/biosensors/