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.