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Metabolit-Nachweis mittels SERS

Um einen spezifischen Nachweis von Metaboliten in medizinisch relevanten Konzentrationen zu ermöglichen, wird die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt, da sie molekularspezifische und hochempfindliche Nachweismethoden ermöglicht. Mit Hilfe von SERS-basierten Nachweissystemen konnten wir zwei relevante Metabolite, nämlich Pyocyanin und Pyrazinsäure, nachweisen.

Von Olga Žukovskaja // Izabella J. Jahn // Anna Muehlig // Karina Weber // Dana Cialla-May // Juergen Popp

Um schnelle Maßnahmen zur korrekten Behandlung von Infektionskrankheiten zu ermöglichen, sind eine schnelle Identifizierung der Erreger sowie Informationen über Arzneimittelresistenzen erforderlich. Hierfür ist die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) ein attraktives Instrument, um diese analytischen Fragen zu beantworten. Wir haben das Potenzial der SERS-Technik in der Bioanalytik durch die Charakterisierung und Untersuchung von zwei Metaboliten (Pyocyanin und Pyrazinsäure) in künstlichen Matrices mit unterschiedlicher Komplexität veranschaulicht.

Pyocyanin (PYO) ist ein spezifischer Metabolit des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa, dessen direkter Nachweis in Sputumproben die Diagnosezeit einer solchen Atemwegsinfektion erheblich verkürzen kann. Daher ist eine empfindliche, schnelle, einfach zu verwendende und kostengünstige PYO-Detektionsplattform erforderlich. In unserer Studie wurde SERS für diese klinische Aufgabe vorgeschlagen. Unter Berücksichtigung der Forderung nach einer einfachen und kostengünstigen Detektionsplattform wurden chemisch innerhalb von 20 Minuten hergestellte Silizium-Nanodrähte (SiNWs), die unterschiedlich mit Silber- und/oder Gold-Nanopartikeln versehen wurden, als SERS-Substrate eingeführt. Durch die Untersuchung verschiedener Designs wurde festgestellt, dass Silber-Nanopartikel am Fuße der Nanodrähte für ein intensives SERS-Signal vorteilhaft sind. Darüber hinaus verbesserte die Platzierung von bimetallischen Silber/Gold-Nanopartikeln auf der Oberseite von SiNWs anstelle von reinen Gold-Nanopartikeln die Stabilität des Signals. Mit einem solchen Substrat wurde der Nachweis von PYO in künstlichem Sputum, welches klinische Proben nachahmt, durchgeführt. Um den Einfluss der Matrix zu verringern, wurde eine Verdünnung der Proben vorgeschlagen. Es konnte ein SERS PYO-Signal bis hinunter zu einer Konzentration von 6,25 µM beobachtet werden (Abbildung 1). Darüber hinaus wurde eine lineare Reaktion der SERS-Intensität im klinisch relevanten Konzentrationsbereich von 6,25‑100 µM erreicht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass markerfreie SERS ein geeigneter Kandidat für den PYO-Nachweis in respiratorischen Körperflüssigkeiten und eine vielversprechende Technik für die quantitative Analyse ist.

Ein weiteres Beispiel ist die Behandlung von Tuberkulose (TB), die in vielen Entwicklungsländern aufgrund des Vorhandenseins multiresistenter Krankheitserreger vor Herausforderungen steht. Pyrazinamid (PZA) ist eines der Mittel der ersten Wahl, die bei medikamentös behandelbaren TB-Fällen verabreicht werden. Dennoch ist die Prüfung des Ansprechens auf PZA eine Herausforderung. PZA ist eine Prodrug – nur ihr Metabolit, Pyrazinsäure (POA), kann Bakterien abtöten. Die PZA-Resistenz ist mit keiner oder nur sehr geringer PZA-zu-POA-Umwandlung verbunden. Die PZA-Resistenz könnte daher durch Quantifizierung der POA in der extrazellulären Umgebung einer in-vitro-Flüssigkeitskultur bewertet werden. POA und PZA zeigen unterschiedliche SERS-Signaturen, was die Quantifizierung beider Substanzen in einer Mischung ermöglicht. Um reproduzierbare Messbedingungen zu gewährleisten, verwendeten wir eine tröpfchenbasierte mikrofluidische Plattform mit in-situ synthetisierten Ag-Nanopartikeln. Es wurde ein linearer dynamischer Bereich von 20 µM bis 100 µM für PZA und 50 µM bis 100 µM für POA gefunden. Das Verhältnis der Markermoden von PZA und POA kann ein relevanter Indikator für die PZA-Resistenz sein.

Zusammenfassend zeigten wir das Potential der SERS-Technik bei der Detektion von Metaboliten in medizinisch relevanten Konzentrationen. Für zukünftige Arbeiten ist die Übertragung dieser Nachweismethoden auf reale Proben vorgesehen.

Gefördert durch: BMBF, DLR

Zugehörige Publikationen

[1] Rapid detection of the bacterial biomarker pyocyanin in artificial sputum using a SERS-active silicon nanowire matrix covered by bimetallic noble metal nanoparticles
Olga Žukovskaja, Svetlana Agafilushkina, Vladimir Sivakov, Karina Weber, Dana Cialla-May, Liubov Osminkina, and Jürgen Popp, Talanta 219, 202, 171-177.
[2] Molecular Specific and Sensitive Detection of Pyrazinamide and Its Metabolite Pyrazinoic Acid by Means of Surface Enhanced Raman Spectroscopy Employing In Situ Prepared Colloids
Anna Muehlig, Izabella J. Jahn, Jan Heidler, Martin Jahn, Karina Weber, Patricia Sheen, Mirko Zimic, Dana Cialla-May, Juergen Popp, Appl. Sci. 2019, 9, 2511; doi:10.3390/app9122511

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