Stabile Sensoroberflächen für Medikamentenmessungen im Blutplasma

Die präzise Wirkstoffkonzentration im Blut bestimmt den Therapieerfolg und minimiert systemische Nebenwirkungen. Forschende des Leibniz-IPHT in Jena entwickelten eine hochsensitive Sensoroberfläche. Die Oberfläche detektiert Pharmazeutika in Blutplasma. Sie übertrifft konventionelle Silbersubstrate in der Lagerstabilität deutlich.

Limitierungen klassischer Analysenverfahren auf Intensivstationen

Pharmakokinetische Parameter variieren interindividuell stark trotz identischer Dosierung. Dies gilt besonders in der Onkologie und Infektiologie. Die regulatorische Überwachung der Wirkstoffspiegel erfordert bisher zeitaufwendige Laborverfahren. Diese benötigen teure Großgeräte und speziell geschultes Personal. Lichtbasierte Methoden wie die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) bieten hier eine schnelle Alternative. Sie identifizieren Zielmoleküle anhand spezifischer Schwingungsspektren.

Stabilisierung von Silber-Nanostrukturen gegen Oxidation

Raman-Signale in komplexen Matrizen wie Blutplasma sind oft hochgradig transient. SERS verstärkt diese Signale durch metallische Nanostrukturen. Silber zeigt exzellente Verstärkungseigenschaften, oxidiert jedoch schnell an der Luft. Dies mindert die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse im klinischen Alltag.

Das Team um Dr. Dana Cialla-May, Dr. Vladimir Sivakov und Aradhana Dwivedi fand eine chemische Lösung. Sie synthetisierten hochverzweigte, dendritische Silberstrukturen auf einem Trägermaterial. Der Zusatz von Sulfat-Ionen steuert das Verzweigungswachstum. Gleichzeitig schützt das Sulfat die Sensoroberfläche vor oxidativer Degradation. Die Substrate blieben unter Normalbedingungen mindestens sieben Monate stabil. Die Oberflächenchemie wurde mittels hochauflösender Röntgen-Photoelektronenspektroskopie am Synchrotron BESSY II validiert. „Silber ist für SERS sehr leistungsfähig, aber seine geringe Stabilität war lange ein Hindernis für praktische Anwendungen“, sagt Aradhana Dwivedi.

„Mit unserem Ansatz konnten wir zeigen, dass sich hochverzweigte Silberstrukturen herstellen lassen, die empfindlich messen und zugleich deutlich robuster bleiben,“ erläutert Dr. Vladimir Sivakov. „Für die Anwendung zählt nicht nur, wie empfindlich eine Oberfläche im Labor ist. Entscheidend ist, ob sie auch in komplexen Proben verlässliche Signale liefert und sich in realistische Abläufe integrieren lässt“, ergänzt Dr. Dana Cialla-May. „Genau in diese Richtung wollen wir SERS weiterentwickeln.“

Validierung in komplexer Plasma-Matrix

Die Forschenden testeten das SERS-Substrat mit fünf Wirkstoffen. Untersucht wurden Zytostatika und ein Antibiotikum. Die Messungen erfolgten zuerst in wässriger Lösung, danach in humanem Blutplasma. Die Probenmatrix enthält störende Proteine und Salze. Über eine einfache Probenvorbereitung gelang der verlässliche Wirkstoffnachweis. Das Substrat eignet sich damit als Basis für ein schnelles Point-of-Care-Screening.

„Der nächste Schritt ist die gemeinsame Arbeit mit medizinischen Partnerinnen und Partnern“, sagt Dana Cialla-May. „Wir möchten klären, für welche klinischen Fragen SERS besonders geeignet ist, wie sich die Methode gegen etablierte Laborverfahren behauptet und wie sie sich in reale Abläufe integrieren lässt. Ich freue mich sehr über Kooperationen mit klinischen Forschungsteams, um diesen Weg weiterzugehen.“

Perspektiven für die patientennahe Point-of-Care-Diagnostik

Für den bettseitigen Einsatz sind weitere Optimierungen nötig. Die Probenpräparation von Vollblut oder Serum muss vereinfacht werden. Zudem erfordert der Markt eine skalierbare Substratherstellung. Nötig sind standardisierte Messgeräte und automatisierte Auswertealgorithmen. Tragbare Raman-Systeme bieten hier großes Potenzial. Das Leibniz-IPHT forscht bereits an kompakten Systemen wie dem RamanBioAssay®. Die neue, langlebige SERS-Oberfläche lässt sich künftig ideal in solche mobilen Point-of-Care-Workflows integrieren.

Quelle

Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. (06/2026)