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Hans-Peter Deigner: „Optimierung der Lateral Flow Assays durch Nanopartikel“

Ob in der Forschung oder in Textilien - Nanopartikel kommen bereits in vielen Materialien zum Einsatz. An einer neuen Anwendung forscht auch Prof. Dr. Hans-Peter Deigner von der Hochschule Furtwangen (HFU). Ziel seiner Arbeit ist es unter anderem, mit dem Einsatz von Nanopartikeln die Lateral-Flow-Assay-Methode weiterzuentwickeln. Neben der intensiven Forschungsarbeit an den Biomarkern engagiert er sich als Dekan an der Hochschule Furtwangen (HFU) sowie als Präsident der European, Middle Eastern and African Society for Biopreservation and Biobanking (ESBB).

Lateral-Flow-Teststreifen unter Verwendung von an Antikörper gekoppelten Gold-Nanopartikeln. Ein Teststreifen vor Benutzung und der zweite nach Zugabe von Nanopartikel-Konjugaten. © Hochschule Furtwangen

Die Lateral-Flow-Assay-Methode ist eine biochemische Methode zum qualitativen Nachweis von Stoffen. Sie ist nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch – zum Beispiel in Form von Schwangerschaftsteststreifen – in der Öffentlichkeit in der Anwendung. Der wichtigste Mechanismus ist die Bindung von Antikörpern an das zu untersuchende Material (Analyt). Hierzu werden die bereits etablierten Methoden der Dünnschichtchromatographie sowie der Immunfärbung angewendet. Neuerdings wird die Lateral-Flow-Assay-Methode dahingehend weiterentwickelt, dass Nanopartikel zur Markierung und als Indikator eingesetzt werden.

Dabei begeistern die vielfältigen Einsatzgebiete dieser Nachweismethode die Wissenschaftler. „Gerade die Interaktionen von Nanopartikeln mit Biomolekülen und Organismen einerseits und quantitativen-theoretischen Aspekten und Modellen anderseits faszinieren mich", erzählt Hans-Peter Deigner, Professor für Medical and Life Sciences an der Hochschule Furtwangen (HFU).

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) wird durch einen Mangel an Insulin hervorgerufen. Man unterscheidet zwei Typen. Bei Typ 1 (Jugenddiabetes) handelt es sich um eine Autoimmunkrankheit, bei der körpereigene Immunzellen die Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse, die Insulin produzieren, zerstören. Typ 2 (Altersdiabetes) ist dagegen durch eine Insulinrestistenz (verminderte Insulinempfindlichkeit der Zielzellen) und eine verzögerte Insulinausschüttung gekennzeichnet.
  • Aufgabe der Life Sciences ist die Erforschung, Entwicklung und Vermarktung von Produkten, Technologien und Dienstleistungen auf Basis der modernen Biotechnologie.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Nanopartikel sind Teilchen von einer Größe unter 100 Nanometer.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Immunfärbung oder auch Immunhistologie ist eine biologische bzw. medizinische Methode, mit der man Proteine mit Hilfe von Antikörpern sichtbar machen kann. Dadurch kann man beispielsweise die Position eines Proteins in einem Gewebe bzw. Zellkompartiment bestimmen.
  • Ein Assay ist ein standardisierter Reaktionsablauf zum Nachweis einer Substanz mit einer spezifischen Methode (Bsp.: ELISA).
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

Vielseitig einsetzbar: Nanopartikel in der Biomedizin

Prof. Dr. rer. nat. habil. Hans-Peter Deigner, Dekan, Hochschule Furtwangen (HFU), arbeitet derzeit federführend an der Entwicklung von Multiplex-Analysen mittels Nanopartikeln. © Hochschule Furtwangen

„Ein breites chemisches Verständnis ist die Grundlage für vertiefte Einblicke in die Lebenswissenschaften", davon ist Hans-Peter Deigner überzeugt. Entsprechend legte er den Grundstock für seine wissenschaftliche Karriere bereits mit seinem Pharmazie-Studium in Heidelberg. Nach leitenden Positionen bei verschiedenen Biotechnologie-Unternehmen (u. a. SIRS-Lab GmbH, Jena; Biocrates Life Sciences AG, Innsbruck) und Universitäten in den USA und in England (Professur Biomedicinal Chemistry, Norwich, UK) forscht er nun an der HFU zu folgenden Themen: Biomarker, molekulare Diagnostik und spezielle Aspekte der Systembiologie. Neben den vielen Einsatzmöglichkeiten in der Life-Science-Forschung ist der Einsatz von Nanopartikeln im alltäglichen Leben fast nicht mehr wegzudenken. Spielen Nanopartikel doch bereits zur Minderung der Geruchsbildung in Textilien und Verpackungsmaterial oder auch als Inhaltsstoff von Cremes eine Rolle. Nun sollen diese Partikel auch eine immer größere Bedeutung in der Biomedizin erlangen. Wesentliche Fortschritte sind unter anderem in der Therapie, wo Nanopartikel zunehmend als Vehikel für den zielgerichteten Wirkstoff-Transport („Drug Targeting") verwendet werden, oder auch in der Leistungssteigerung diagnostischer Tests zu erwarten.

Nanopartikel erlauben prinzipiell durch ihre (unterschiedlichen) optischen Eigenschaften die parallele Bestimmung mehrerer Analyten wie zum Beispiel mehrere Biomarker aus Blut und Serum. Die Herausforderung besteht in der Abstimmung der physikalisch-chemischen Partikel-Eigenschaften, inklusive ihrer optischen Eigenschaften und des Detektionssystems. Darüber hinaus müssen die detektierten Signale zugeordnet und dann in Konzentrationen der Analyten „umgerechnet" werden, damit eine simultane Quantifizierung möglich ist.

Durch Verbundprojekt zu leistungsfähigeren Tests

Die Illustration des Teststreifens zeigt das Prinzip des kompetitiven Immunoassays, das beim Nachweis von kleinen Analyten mit nur einem Epitop von besonderer Bedeutung ist. © Hochschule Furtwangen

Da eine präzise Diagnostik bei einem Patienten oder auch die Analyse von Fremdstoffen (zum Beispiel in Lebensmitteln) in der Regel die Quantifizierung mehrerer Parameter voraussetzt („Multi-Parameter-Diagnostik"), ergibt sich hier unter anderem ein dringender Bedarf nach Multiplex-Analysen. Nanopartikel haben oftmals interessante optische Eigenschaften und bieten Vorteile in Bezug auf Nachweisgrenzen und Stabilität von Signalen. „Multiplex-Tests mit Nanopartikeln als Indikatoren sind bisher aber nur sehr eingeschränkt für die Routinediagnostik realisiert. Die Voraussetzungen für leistungsfähigere Tests wollen wir im Verbundprojekt „MultiFlow" schaffen", berichtet Hans-Peter Deigner. Projektpartner sind Professor Matthias Kohl (HFU), das Diagnostikunternehmen R-Biopharm AG, Darmstadt, sowie Professor Stefan Laufer, Universität Tübingen. Während das Team um Matthias Kohl für alle quantitativen Aspekte wie die Entwicklung statistischer Modelle für die Auswertung zuständig ist, legt Deigner mit seinen Mitarbeitern den Schwerpunkt auf die Herstellung und Charakterisierung passender Nanopartikel, woran auch Laufer aus Tübingen beteiligt ist. Das Projekt „MultiFlow" wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Präzise Diagnostik für individualisierte Medizin

Wichtig ist Hans-Peter Deigner vor allem der Nutzen für die Menschen. Seine langjährigen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Biomarker bieten hier viele Ansatzmöglichkeiten. „Eine präzise Diagnostik des Patienten ist wesentliche Voraussetzung für eine zielgerichtete Therapie, Therapiekontrolle und Prognostik und damit für die individualisierte Medizin", dies kommt jedem Patienten direkt zugute. Daneben ermöglichen diese Lateral-Flow-Assay-Testverfahren eine wohnortnahe und schnellere Diagnostik, ohne dass Patienten den manchmal langen Weg zur nächsten Universitätsklinik antreten müssen. Der Vorteil von Schnelltests ist, dass sie Ergebnisse innerhalb weniger Minuten liefern, da keine aufwendige Probenaufbereitung notwendig ist. Ein Beispiel für diagnostische Schnelltests ist etwa der Blutzuckertest für Diabetiker. Schnelltests werden aber auch zur Qualitätskontrolle in der Lebens- und Futtermittelindustrie eingesetzt.

Eine konsequente Folge dieser Arbeiten und Ergebnisse ist die Gründung des „Institute of Precision Medicine" (IPM) als Teil des Institutes für Angewandte Forschung (IAF) an der HFU, gemeinsam mit Professor Markus Egert. Die Gründung des IPM ist eine von vielen Möglichkeiten, die Bildungs- und Forschungslandschaft aktiv mitzugestalten. Dies liegt Hans-Peter Deigner sehr am Herzen, was sich auch in seiner Funktion als Dekan der Fakultät Medical and Life Sciences an der HFU zeigt. Aber nicht nur auf Landesebene, sondern auch international gestaltet er als Präsident der Europäischen Gesellschaft für Biobanking (European, Middle Eastern and African Society for Biopreservation and Biobanking, ESBB) die Forschungslandschaft im Bereich Life Science mit. „Es ist auch in Zukunft mein Ziel, immer wieder neue wissenschaftliche Perspektiven auszuloten. Die Arbeit mit Nanopartikeln, zum Beispiel im Zusammenhang mit Multiplex-Tests, ist ein Beispiel für die Vielseitigkeit unserer Forschung", so Deigner abschließend.

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