Schwingquarze als Hämostase-Sensoren

Kurzfassung
Ein austariertes Hämostase-Gleichgewicht ist für viele physiologische Prozesse essentiell.
Störungen dieses Gleichgewichts können erhebliche Komplikationen hervorrufen und sogar
tödliche Folgen haben. Eine umfangreiche und schnelle Kontrolle des gesamten Hämostase-
Systems zur frühzeitigen Erkennung und Charakterisierung drohender Störungen ist deshalb
gerade hier zwingend notwendig. Ziel der vorliegenden Dissertation war die Entwicklung
hämostaseologischer Tests unter Verwendung akustischer Sensoren. Dabei wurden
piezoelektrische Schwingquarze mit einer Resonanzfrequenz von 10 MHz zur Untersuchung
der Gerinnung, der Fibrinolyse und der Funktionsfähigkeit von Thrombozyten in Vollblut
eingesetzt.
Für die entsprechenden Tests wurden unterschiedlichste Beschichtungen der Schwingquarze
realisiert, charakterisiert und auf ihre Tauglichkeit für den jeweiligen Test geprüft. Neben
hydrophilen Beschichtungen mit Polyethylenglykolen und hydrophoben Kunststoffbeschichtungen
mit Polystyrol bzw. Polyethylen kamen auch kovalent immobilisierte Protein-
Oberflächen zum Einsatz. Auf Polyethylen-beschichteten Schwingquarzen konnten erstmals
Gerinnungszeiten modifizierter Quick-Tests in Vollblut in sehr guter Übereinstimmung zur
medizinischen Standardmethode Koagulometrie bestimmt werden. Zudem konnten auf derart
beschichteten Oberflächen hyperfibrinolytische Auflösungsprozesse von Blutgerinnseln in
Echtzeit nachgewiesen werden, wobei auch hier die Ergebnisse der Schwingquarzsensorik
sehr gut mit denen etablierter Methoden korrelieren. Untersuchungen zur Aggregations- und
Adhäsionsfähigkeit intakter Thrombozyten konnten auf der unbeschichteten Goldoberfläche
der Schwingquarzelektrode, Polystyrol-beschichteten Oberflächen sowie Oberflächen mit
kovalent gebundenem Fibrinogen in sehr guter Übereinstimmung mit der medizinischen
Routinemethode durchgeführt werden. Ebenso konnte auf diesen drei Sensorbeschichtungen
mittels Schwingquarzsensorik jeweils der schädigende Effekt von Acetylsalicylsäure auf die
Aggregation der Thrombozyten nachgewiesen werden. Alle in dieser Arbeit etablierten
hämostaseologischen Tests konnten exemplarisch auf dem im Laufe des Projektes
entwickelten mikrofluidischen Chip mit integriertem Schwingquarzsensor erfolgreich
ausgeführt werden.
Das enorme Potenzial der Schwingquarzsensorik im Bereich der hämostaseologischen
Diagnostik wird anhand der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse deutlich. Sie stellen die
Basis zur Bearbeitung weiterer interessanter Bereiche, wie zum Beispiel dem Nachweis
einzelner Gerinnungsfaktoren oder von Fibrinogenspaltprodukten, dar.
Abstract
Many physiological processes require a well balanced haemostasis. Imbalances can cause
severe complications and may even end fatally. Hence, a comprehensive and fast control of
the haemostatic system is mandatory in order to detect and characterize imminent imbalances
in time. The aim of the present dissertation was the development of haemostatic tests using
acoustic sensors. Piezoelectric quartz crystal resonators with a resonance frequency of
10 MHz were applied for the investigation of coagulation, fibrinolysis and platelet function in
whole blood samples.
Different sensor coatings of the quartz resonator were realized, characterized and tested with
respect to their suitability for different haemostatic tests. In addition to hydrophilic coatings
based on polyethylene glycol and hydrophobic polystyrene or polyethylene coatings, surfaces
with covalently immobilised proteins were also applied. For the first time, coagulation times
of a modified Quick-Test on polyethylene sensor surfaces could be measured and were found
to be in very good accordance with the standard coagulometry as used in medical routine
laboratories. Furthermore, hyperfibrinolytic lysis of blood clots could be monitored in real
time on such coated surfaces. Also in this case, results obtained by the quartz crystal
microbalance sensor were consistent with the results of the established method. Investigation
of platelet aggregation and adhesion of platelets could also be performed in very good
accordance to the established medical method. These tests succeeded using the blank gold
surface of the quartz crystal electrode as well as polystyrene coated surfaces and surfaces with
covalently bound fibrinogen. Likewise the inhibitory effect of acetylsalicylic acid on platelet
aggregation could be detected by quartz crystal microblance using these three sensor surfaces.
Exemplarily all haemostatic tests established in this work could also be successfully
performed using a microfluidic chip with integrated quartz crystal microblance sensor, which
was developed in the course of the project.
The results of the present work demonstrate an enormous potential of quartz crystal
microbalance in diagnosis of haemaostasis. They also provide the basis for further interesting
assays like the detection of individual coagulation factors or fibrinogen degradation products.