20. 01. 2025
Verfasst von: Anusha Kishore, Mathew Varughese, Carsten Zeilinger, Bernhard Roth

Überbelastungen im Sport frühzeitig nachweisen

Zwei Personen stehen im Labor. Eine Person arbeitet mit einer Pipette. — Ein mobiler optischer Sensor soll künftig Belastungen im Leistungssport testen. Die Doktoranden Anusha Kishore (vorne rechts) und Arun Mathew Varughese bereiten eine Probe vor.

Überbelastungen führen bei Sportlerinnen und Sportlern zur vermehrten Produktion von Stressproteinen. Um diese nachzuweisen und stressbedingte Verletzungen frühzeitig zu vermeiden, wären mobile und hochgenaue Schnelltests eine Lösung. Ein interdisziplinäres Team aus Chemie und Physik mit Beteiligung des Exzellenzclusters PhoenixD der Leibniz Universität Hannover hat den Prototyp eines hochpräzisen optischen Sensorchips entwickelt. Er soll der minimalinvasiven Überwachung von Stress in Freizeit- und Leistungssport sowie Rehabilitation dienen.

Optischer Sensorchip misst Fluoreszenzmarker

Stressbedingte Überbelastungen können sowohl im Leistungs- als auch im Freizeitsport Verletzungen oder Erkrankungen verursachen. Doch wie lässt sich eine Überlastung frühzeitig erkennen und möglichst verhindern? Als Lösung schlägt das Forschungsteam einen optischen Schnelltest vor, der stressbedingte Proteine nachweist. Dieses „Point-of-Care“-Gerät soll einfach zu bedienen sein und damit kontrollierte Trainings- und Aufbaueinheiten oder Rehabilitationsmaßnahmen unterstützen. Der entwickelte Prototyp weist Stressproteine zunächst im Blut nach.

Quantenpunkte für optische Detektion

„Ein solcher Test ist derzeit nicht auf dem Markt erhältlich“, informiert Prof. Dr. Bernhard Roth. „Innerhalb von 14 Monaten ist es uns gelungen, mit handelsüblichen Komponenten ein preiswertes Gerät zu entwickeln, das in sehr kurzer Zeit vergleichbare Ergebnisse wie ein Standardlabor-Referenzgerät liefert.“ Zum Nachweis von Überbelastung bei Sportlerinnen und Sportlern verwendet das Team zunächst das Hitzeschockprotein 90 (HSP90), das der Körper unter Stressbedingungen vermehrt produziert. Dieses Protein bindet an einen Fluoreszenzmarker, damit es optisch nachgewiesen werden kann.

Leuchtende punktförmige Probenkammern in Nahaufnahme — Mit dem Sensorchip-Prototyp findet der Fluoreszenznachweis von Stressproteinen statt.

Als Fluoreszenzsensor fungieren sogenannte Quantenpunkte (QD). „Diese Nanomaterialien besitzen größenabhängige optische und elektronische Eigenschaften und weisen eine hohe Lumineszenz und Quantenausbeute auf“, erklärt Bernhard Roth. Das entwickelte Gerät arbeitet mit einem einfachen optischen Aufbau und einer Standard-CMOS-Kamera. Die Optik gewährleistet zudem, dass die Probe auf dem Objektträger automatisch im Fokus liegt. Der Sensorchip mit den Test-Reagenzien lässt sich lange Zeit im Kühlschrank lagern.

Testplatte unter Fluoreszenzlicht — Das entwickelte Gerät arbeitet mit einem einfachen optischen Aufbau. Die Optik gewährleistet zudem, dass die Probe auf dem Objektträger automatisch im Fokus liegt.

Praxistest und Weiterentwicklung des Prototyps

„Unser Ziel ist es, den Prototyp im Rahmen eines Start-ups weiterzuentwickeln“, sagt Bernhard Roth. Künftig soll der Nachweis von Stressproteinen komplett nicht-invasiv mit Speichel oder an Kapillarblut gelingen. Andere Stressmarker sind bereits getestet worden. Aufgrund der geringen Größe dieser Biomarker-Moleküle ist es allerdings schwierig, ausreichend gute Signale zu erzielen. Werden mehrere Biomarker zusammen getestet, kommt es außerdem zu Kreuzreaktionen. Diese beiden Probleme erfordern weitere Forschung und Entwicklung. Der Prototyp soll nun in Testgruppen aus dem Breiten- und Leistungssport validiert und soweit miniaturisiert werden, dass er als Aufsatz mit einem Smartphone verbunden und damit betrieben werden kann.

Die Collage zeigt ein Bild des Systems und den schematischen Aufbau mit Kamera, Linsen, Probenschlitten, Durchleuchtungs-Einheit und Lichtquelle. — Das bildgebende Sensor-System weist das Stressprotein HSP90-Protein nach. Die Quantenpunkte in der Probe werden mit einem 405-nm-Laser anregt. Der Fluoreszenznachweis erfolgt bei 655 Nanometer Wellenlänge.

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Zitation: Roth, B., Kishore, A., Varughese, M., & Zeilinger, C. (2024). Überbelastungen im Sport frühzeitig nachweisen. Wissen Hoch N. https://doi.org/10.60479/4EH9-RH79