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Biosensor

Medizinischer Schnelltest für zu Hause

Bei einer ganzen Reihe von Erkrankungen muss regelmäßig die Konzentration von Medikamenten oder Metaboliten im Blut bestimmt werden, was den Patienten den Alltag ziemlich erschweren kann. Forscher am Heidelberger Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung haben nun einen Test entwickelt, der auf dem Glühwürmchenenzym Luciferase basiert. Damit lassen sich die Parameter in lediglich einem Blutstropfen schnell und günstig in jeder Arztpraxis oder gar zu Hause auf einem Papierstreifen messen.

Wirkprinzip des neuartigen Luciferasetests: Bindet der gesuchte Stoff an den Rezeptor, wird der Cofaktor verdrängt und das vom Biosensor emittierte Licht ändert sich. © Max-Planck-Institut für medizinische Forschung

Der Therapieerfolg vieler Erkrankungen hängt davon ab, dass Medikamente in der für jeden einzelnen Patienten richtigen Dosis verabreicht werden, bzw. die Konzentrationen krank machender Metabolite im Körper exakt bestimmt werden, um die bestmögliche Medikation verordnen zu können. Aktuell wird eine solche Kontrolle von Medikamentendosen oder Metabolitenkonzentrationen durchgeführt, indem den Patienten Blut abgenommen und in einer geeigneten medizinischen Einrichtung per Massenspektrometrie analysiert wird. Für diese Untersuchung müssen sich die Betroffenen je nach Erkrankung häufig oder zumindest regelmäßig zum Arzt oder ins Krankenhaus begeben, was über Monate oder Jahre aufwendig und belastend sein kann.

Dies wollen Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für medizinische Forschung in Heidelberg nun ändern. Sie erarbeiteten einen Test, mit dem Messungen verschiedenster Parameter direkt im Blut von Patienten schnell und einfach – ähnlich der Blutzuckermessung von Diabetikern – möglich werden. Entwickelt haben die Wissenschaftler um Prof. Dr. Kai Johnsson, Direktor am MPI, das Grundprinzip für den Test bereits 2014. LUCID (Luciferase-based Indicators of Drugs) wird das System genannt. Es basiert auf dem Enzym Luciferase, das auch für die Biolumineszenz der Glühwürmchen verantwortlich ist und diese zum Leuchten bringt. Auch für den neuen Heidelberger Test setzt das Glühwürmchenenzym eine Leuchtreaktion in Gang, die ganz einfach gemessen werden kann und sogar auch mit bloßem Auge zu erkennen ist.

Glossar

  • Adenin (Abkürzung: A) ist ein Bestandteil (eine Base) der Nukleinsäuren und ein Purin-Abkömmling.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • 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.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Nukleus ist eine andere Bezeichnung für den Zellkern einer eukaryotischen Zelle, der das genetische Material enthält und von einer Membran umschlossen wird.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Validierung oder Validation ist der Prozess der Prüfung einer These oder eines Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Glucose ist ein Monosaccharid (Einfachzucker). Sie kommt als D-Glucose in fast allen süßen Früchten vor und trägt den Trivialnamen Traubenzucker. Glucose bildet den Mittelpunkt des Kohlenhydrat-Stoffwechsels.
  • Ein Assay ist ein standardisierter Reaktionsablauf zum Nachweis einer Substanz mit einer spezifischen Methode (Bsp.: ELISA).
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.

Besondere Kombination macht den Biosensor so leistungsstark

Prinzipiell kann jeder Metabolit im menschlichen Körper, der von NADP oxidiert werden kann, auch mit dem Test analysiert werden. © Max-Planck-Institut für medizinische Forschung

„Unser Testsystem basiert auf einem von uns entwickelten Biosensor, der halb Protein – die Luciferase – halb synthetisches Molekül ist und damit Licht emittieren kann“, erklärt Johnsson. „Und diese Kombination macht ihn auch so leistungsstark. Dabei wird die Luciferase gewonnen, indem wir das Gen in Bakterien exprimieren; auch das synthetische Molekül stellen wir in unserem Labor her.“

Bei der Analyse des gesuchten Stoffs im Blut bindet der Biosensor dann einen Cofaktor, der die Farbe des abgestrahlten Lichts von blau nach rot ändert. Ist der gesuchte Stoff nicht vorhanden und damit auch der Cofaktor nicht bzw. in geringerer Menge, dann bindet dieser demnach auch nicht oder seltener an den Sensor, und die Farbe des Lichts ändert sich nicht bzw. in geringerem Ausmaß. Die Konzentration des Metaboliten im Blut kann nun ganz einfach über das Verhältnis von blauem zu rotem Licht bestimmt und mit einer simplen Kamera und einem Stück Papier gemessen werden. Der metabolische Assay kann für die Konzentrationsbestimmung vielerlei Biomoleküle und Substanzen angewandt werden. Man kann ihn beispielsweise an Glucose, eine ganze Reihe von Aminosäuren oder Lipide koppeln. Grundsätzlich kann aber die Konzentration jedes Metaboliten gemessen werden, der vom Cofaktor – dem Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP) – oxidiert werden kann.

Praxistest bereits erfolgreich

Der Luciferasetest ist ganz einfach anwendbar und erfordert lediglich einen kleinen Blutstropfen. © Max-Planck-Institut für medizinische Forschung

„Das Schöne an der Methode ist es, dass wir innerhalb von Minuten Tests durchführen können, die genauso zuverlässig sind wie die bisherigen massenspektrometrischen Untersuchungen der Blutproben“, berichtet Johnsson. „Das macht sie so interessant für diagnostische Tests und würde das Leben vieler Patienten erheblich einfacher machen.“ Einem Praxistest haben die Wissenschaftler das System auch bereits unterzogen: An der Heidelberger Kinderklinik wurden Blutproben von Patienten mit Phenylketonurie analysiert. Bei der Erkrankung handelt es sich um eine der häufigsten angeborenen Stoffwechselstörungen, die zwar durch eine proteinarme Diät therapiert werden kann, dabei aber der Spiegel der Aminosäure Phenylalanin im Blut gut überwacht werden muss. Die Ergebnisse des Luciferase-Testsystems waren überaus überzeugend und konnten sich in der Genauigkeit mit der Massenspektrometrie messen1.

„Unsere Hoffnung ist es, dass dies den Alltag der Betroffenen in der Zukunft erleichtern wird und sie die Untersuchung selbst zu Hause durchführen können“, so der Biochemiker. „Allerdings ist der Test im Moment noch nicht so weit, dass wir ihn den Patienten in die Hand geben können, sondern erfordert noch etwas mehr Entwicklungsarbeit.“ Der funktionierende Sensor, der die gewünschten Stoffe in den Blutproben quantifizieren kann, existiert jetzt. Was nun noch fehlt, ist „das Drumherum“ – ein entsprechendes Gerät mit Chip, das die Photonen misst. „Das ist aber mit dem entsprechenden Engineering ein lösbares Problem“, sagt Johnsson. „Man kann hierfür wahrscheinlich sogar ein Gerät basteln, das nur im zweistelligen Eurobereich liegt. Denn eigentlich ist eine Kamera gut genug, wie sie heute in einem ganz normalen Mobiltelefon auch zu finden ist.“

Biosensor wird auch zu Forschungszwecken verwendet

Für den Test wird außer Blutprobe und Sensor noch ein Papierstreifen und eine Kamera benötigt – ein entsprechendes, günstiges Gerät für den Patienten wollen die Forscher in den nächsten Monaten entwickeln. © Max-Planck-Institut für medizinische Forschung

Die Möglichkeit der Konzentrationsbestimmung von Metaboliten an sich wird schon seit längerer Zeit in Krankenhäusern praktiziert. Allerdings war eine Direktbestimmung in Blut bisher nicht möglich, weil Licht geringer Wellenlänge von den Bestandteilen des Bluts absorbiert und damit nicht wahrgenommen oder gemessen werden kann. „Der Trick im Testsystem, das wir jetzt zur Hand haben, ist es, dass nun das Molekül, das das Licht aussendet, auch die Wellenlänge ändert”, erklärt der Wissenschaftler. „Und dies kann man messen. Das heißt, nicht das Licht an sich, sondern nur das Verhältnis von blauem zu roten Licht muss stark genug sein, damit wir den gewünschten Stoff direkt im Blut bestimmen können. Dafür reicht ein halber Mikroliter Blut mehr als aus: Und diese Tatsache macht den Biosensor jetzt auch so vielseitig anwendbar.“

Das Testsystem wird aber nicht nur in der medizinischen Diagnostik eingesetzt. Die Heidelberger Experten für Biosensoren setzen die Technologie auch dazu ein, um Vorgänge in lebenden Zellen zu erforschen. „Wir quantifizieren damit Metaboliten in verschiedenen Kompartimenten wie dem Nukleus oder den Mitochondrien“, berichtet Johnsson. „Damit können wir beispielsweise verfolgen, wie diese sich ändern, wenn in der Zelle bestimmte Prozesse aus dem Ruder laufen.“

Die nächsten Wochen und Monate wollen die Max-Planck-Forscher nun dazu nutzen, um den Biosensor noch weiter zu validieren und zu automatisieren, sodass er für Patienten anwendbar wird. „Das werden wir aber sicher nicht in einem Jahr schaffen“, so Johnsson. „Wir sind jedoch überzeugt, dass wir die konzeptionellen Hürden, die noch vor uns liegen, nehmen können – das haben andere auch schon geschafft. Und genau das ist auch für mich persönlich das Interessante – dass ich als Biochemiker nun auch über ganz neue und andere Dinge nachdenken muss.“

Literatur

(1) Qiuliyang Yu Lin Xue, Julien Hiblot, Rudolf Griss, Sebastian Fabritz, Clothilde Roux, Pierre-Alain Binz, Dorothea Haas, Jürgen G. Okun, Kai Johnsson: „Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care.“ Science, 14 Sep 2018

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