Smartphone-gestütztes plasmonisches ELISA für ultrasensitives Myoglobin-Nachweis am Point-of-Care

Zusammenfassung

Serum-Myoglobin steigt innerhalb 1–2 h nach akutem Myokardinfarkt (AMI), was es zu einem kritischen Frühbiomarker macht. Wir präsentieren einen plasmonischen Immunoassay, der enzymvermittelte lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR)-Änderungen von Goldnanostäben (AuNRs) nutzt, um Myoglobin mit linearem Bereich 0,1–1000 ng ml⁻¹ und Nachweisgrenze (LOD) von 0,057 ng ml⁻¹ zu quantifizieren. Ein neuartiges Lesegerät, gebaut aus dem Umgebungslichtsensor (ALS) eines Smartphones und einem 3D-gedruckten Zubehör, übersetzt LSPR-Verschiebungen in einen einfachen, kostengünstigen Readout (~2 $) für ressourcenarme Umgebungen. Myoglobin-Konzentrationen, gemessen mit dieser Methode, korrelierten stark mit konventionellen ELISA-Ergebnissen, was die klinische Relevanz für schnelles AMI-Triage unterstreicht.

Einleitung

AMI bleibt weltweit eine führende Todesursache: 1,5 Mio. US-Fälle und 500.000 chinesische Fälle jährlich. Früherkennung hängt von Biomarkern ab, die rasch ansteigen; Serum-Myoglobin peak 6–9 h post-Infarkt, nachweisbar ab 1–2 h [3–5]. Konventionelles ELISA, zwar zuverlässig, erfordert Laborinfrastruktur und geschultes Personal, was Point-of-Care (POC) Einsatz limitiert.

Plasmonische Immunoassays verbinden ELISA-Spezifität mit optischer Verstärkung von Metallnanostrukturen, ermöglichen Blickdiagnose und hohe Sensitivität. Goldnanostäbe mit ihrem einstellbaren LSPR sind besonders attraktiv für Signaltransduktion in Biosensing. Quantitative Auswertung erforderte traditionell Spektrometer oder Mikroplattenleser, was Feldeinsatz einschränkt. Hier entwickeln wir ein AuNR-basiertes plasmonisches ELISA für Myoglobin, gekoppelt mit einem Smartphone-gesteuerten Reader, der den ALS des Telefons nutzt, um transmittierte Lichtintensität zu erfassen – ein portables, kostengünstiges Diagnosewerkzeug.

Materialien und Methoden

Materialien

Humanes Myoglobin (Abcam, UK), Anti-Myoglobin monoklonale Antikörper (mAb1, mAb2, Eigenproduktion), Goldnanostäbe (AuNRs), Glucoseoxidase (GOx), Horseradish Peroxidase (HRP), weitere Reagenzien von Standardlieferanten. Serumproben von Guangzhou Overseas Chinese Hospital.

Apparatur

LSPR-Spektren mit Synergy H1 Mikroplattenleser; ELISA-Absorption bei 450 nm auf MK3 Reader. AuNRs per PHILIPS TECNAI-10 TEM charakterisiert. Smartphone-Reader auf 3D-gedrucktem Chassis (Teil 1: 100 × 40 × 40 mm, Teil 2: 76 × 13 × 12 mm) montiert, betrieben mit zwei 1,5 V Batterien. 850 nm LED ausgerichtet auf ALS ermöglichte Transmissionslichtmessung via Light Meter App (Android; iOS-kompatibel).

Synthese der AuNRs

Seed-vermitteltes Wachstum produzierte AuNRs mit Aspektverhältnis justiert durch AgNO₃ und CTAB Konzentrationen. Finale Stäbe 12 h unter Rühren inkubiert vor Verwendung.

Plasmonischer Immunoassay-Protokoll

96-Well-Platten über Nacht mit mAb1 beschichtet, mit BSA geblockt, bei –20 °C gelagert. GOx-markiertes mAb2 (GOx-Ab2) zu Wells mit variierenden Myoglobin-Konzentrationen gegeben, gefolgt von Glucose und AuNRs in Gegenwart von HRP und CTAB. Ätzung der AuNRs durch H₂O₂ erzeugte Blaue Verschiebung des LSPR-Peaks und reduzierte Absorption bei 850 nm, proportional zur Myoglobin-Menge. Transmittierte Lichtintensität wurde vom Smartphone-Reader aufgezeichnet, Kalibrationskurve generiert. Serumproben zehnfach verdünnt, identisch verarbeitet.

Datenanalyse

Lineare Regression mit Origin 9.0; alle Assays tripliziert für Reproduzierbarkeit.

Ergebnisse und Diskussion

Assay-Prinzip

GOx auf mAb2 konvertiert Glucose zu Glucosaure und H₂O₂. H₂O₂, in Gegenwart von HRP und Br⁻, ätzt AuNRs, verschiebt LSPR-Peak zu kürzeren Wellenlängen und senkt 850 nm Absorption. Ausmaß der Verschiebung oder Intensitätsverlust reflektiert direkt Myoglobin-Konzentration.

Optimierung

Optimales HRP (1,5 µM) und CTAB (6,25 µM) maximierten LSPR-Shift. 30-min Ätzzeit mit 100 µM H₂O₂ produzierte stabile Signale. Höhere H₂O₂-Level induzierten starken Blau-Shift und Morphologieänderung von rechteckig zu elliptisch – Bestätigung des Ätzmechanismus.

Smartphone-Reader Leistung

ALS-basierter Reader maß transmittierte Lichtintensität bei 850 nm mit <1 % Varianz vs. kommerziellem Mikroplattenleser, 99,1 % Korrelation (R² = 0,991). Gesamtes Zubehör kostet ca. 2 $.

Analytische Sensitivität

Mit LSPR-Shift quantifizierte Assay Myoglobin 0,1–1000 ng ml⁻¹, LOD 57,8 pg ml⁻¹. Smartphone-Readout: identischer linearer Bereich, LOD 64,1 pg ml⁻¹. Klinische Serum-Messungen zeigten starke Übereinstimmung mit ELISA (R² = 0,98) – Validierung des diagnostischen Potenzials.

Vergleich mit ELISA

Traditionelles ELISA: linearer Bereich 25–1000 ng ml⁻¹, LOD 22,7 ng ml⁻¹. Plasmonischer Assay bietet ~400-fach niedrigere LOD und breiteren Dynamikbereich – überlegen für frühe AMI-Detektion.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrierten ein Goldnanostab-plasmonisches ELISA, das Serum-Myoglobin mit beispielloser Sensitivität (LOD = 0,057 ng ml⁻¹) und einfachem Smartphone-Reader detektiert. Die Plattform umgeht komplexe Instrumentierung und bietet eine viable, kostengünstige Lösung für POC AMI-Diagnose in ressourcenbeschränkten Umgebungen.

Abkürzungen

• Ab1: Anti-Myoglobin Antikörper
• Ab2: Anti-Myoglobin Antikörper 2
• ALS: Ambient Light Sensor (Umgebungslichtsensor)
• AMI: Akuter Myokardinfarkt
• AuNRs: Goldnanostäbe
• ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay
• GOx: Glucoseoxidase
• HRP: Horseradish Peroxidase
• H₂O₂: Wasserstoffperoxid
• LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance (Lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz)
• Myo: Serum-Myoglobin
• POCT: Point-of-Care Testing