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Entzündungen erkennen im Einweg-Labor

Depression, Rheuma, Sichelzellenanämie – Substanz P im Blutplasma kann ein Alarmsignal sein. Das Molekül wird im Körper vermehrt gebildet, wenn eine entzündliche Reaktion in Gang gekommen ist. Die kommerziellen Tests in der Mikrotiterplatte sind zeitaufwendig und teuer. Dr. Hüseyin Bakirci und sein Team vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg haben einen fingerkuppengroßen Chip entwickelt, auf dem eine quantitative Messung des Neuropeptids und anderer Biomarker in Patientenproben möglich ist – billig, schnell und hochsensibel.

Die Entdeckung des kleinen Peptids war eine schmerzhafte Angelegenheit. Substanz P ist ein Neurotransmitter, aufgebaut aus elf Aminosäuren. Es überträgt Signale zwischen Nervenzellen, wenn uns etwas weh tut. Aber das Molekül ist auch ein Vermittler von entzündlichen Reaktionen des Immunsystems. Es wird bei bakteriellen Angriffen von Immunzellen ausgeschüttet und lockt weitere Immunzellen an – eine Überreaktion des Abwehrsystems kann die Folge sein, mit pathologischen Symptomen. Bei Rheuma oder bei entzündlichen Erkrankungen des Nervensystems, aber auch bei psychiatrischen Störungen spielt es eine Rolle, zum Beispiel bei Depressionen oder Angstzuständen. Medizinern kann die Anwesenheit des Neurotransmitters im Blut oder im Speichel eines Patienten daher einiges über die Hintergründe bestimmter Symptome verraten. „Es ist ein großes Anliegen der Kliniker und der Industrie, handliche Systeme zu haben, mit denen sich Biomarker wie Substanz P schnell und zuverlässig in Körperflüssigkeiten von Patienten messen lassen“, sagt Dr. Hüseyin Bakirci vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) an der Universität Freiburg.

Die Mitarbeiter des Lehrstuhls für Sensoren am IMTEK Freiburg von links nach rechts: Prof. Dr. Gerald Urban (Lehrstuhlinhaber), Dr. Hüseyin Bakirci (Gruppenleiter Bioanalytische Mikrosysteme), Dipl.-Ing. Josef Horak, Dipl.-Ing. Can Dincer und Dipl.-Ing. Jochen Kieninger (Gruppenleiter Sensortechnologie). © Dr. Hüseyin Bakirci.

Zwei Tage auf das Ergebnis warten, das war mal

Dr. Bakirci ist Forschungsgruppenleiter am Lehrstuhl für Sensoren von Prof. Dr. Gerald Urban am IMTEK. Die Wissenschaftler in seinem Team haben in den letzten Jahren einen Plastikstreifen entwickelt, der so groß ist wie eine Fingerkuppe. Dieses unscheinbare Etwas erinnert ein bisschen an Lackmuspapier, das man in eine Flüssigkeit tauchen kann und das sich in saurem Milieu rot färbt. Bei näherem Hinsehen sind jedoch ein Labyrinth aus mikroskopischen Kanälen und mehrere Platinelektroden in seinem Inneren zu erkennen. Es handelt sich im Prinzip um ein miniaturisiertes Labor. „Als ich vor drei Jahren zur Gruppe von Professor Urban stieß, war man gerade in einem großen Netzwerkprojekt dabei, Immunoassays für den Nachweis bestimmter Biomarker von der Mikrotiterplatte auf einen kleinen Chip zu übertragen“, sagt Dr. Bakirci. Der Forscher sollte das Prinzip des sogenannten Immunoassays in einem mikroskopisch kleinen System aus Kapillaren etablieren und mit einem elektrochemischen Sensorsystem koppeln. Das ganze sollte Platz finden auf dem oben beschriebenen Plastikstreifen und möglichst billig zu produzieren sein.

Mit dem am IMTEK Freiburg in der Gruppe Bioanalytische Mikrosysteme entwickelten Lab on a Chip können zum Beispiel Neuromarker wie Substanz P innerhalb von 1,5 Stunden quantitativ nachgewiesen werden. © Dr. Hüseyin Bakirci.

Zehn Pikogramm Substanz P pro ein Gramm Blutplasma, -serum oder Speichel können die Mikrosystemtechniker vom IMTEK mit ihrem Chip heute messen. Damit ist eine genauso hohe Sensitivität erreicht wie bei den kommerziell erhältlichen Testsystemen für die Mikrotiterplatte. Die Kosten betragen nur einen Bruchteil, das Material auf Polyimidbasis ist billig, und die nötigen Mengen an Probenmaterial sind wesentlich kleiner. Und dann gibt es da noch das Zeitargument. Zwei Tage dauerte ein herkömmlicher Test – der Chip macht es in 1,5 Stunden, wesentlich schneller als konventionelle ELISA-Testverfahren auf Mikrotiterplatten. Optimal für den Arzt in der Klinik, der möglichst rasch an ein Ergebnis kommen will, am besten ambulant.

Migräne, Epilepsie und Doping im Radsport

Das Prinzip des Testverfahrens ist nicht kompliziert: Auf der Wandoberfläche des Kapillarsystems im Chip sitzen sogenannte Antikörper. Diese Moleküle binden die Substanz P, die sich in der in das Kapillarsystem eingebrachten Patientenprobe befindet (also im Blutserum, Blutplasma oder Speichel). In das Kapillarsystem wird aber noch eine zusätzliche, in ihrer Konzentration bekannte Menge von Substanz-P-Molekülen injiziert. Diese Moleküle sind künstlich verändert: Ihnen ist das Enzym Glucose-Oxidase (GOD) angehängt. Die so beladenen Moleküle und die unbeladenen konkurrieren um die Bindestellen an den Antikörpern. Je mehr Substanz P in der Probe ist, um so weniger markierte Moleküle können Bindestellen belegen. Gibt man zu der Lösung nun einfache Glucose dazu, dann wird diese durch das an die Antikörper gebundene GOD oxidiert, es entsteht als Nebenprodukt Wasserstoffperoxid. Und dieses wird an den Elektroden umgesetzt, die in die Kapillaren hineinreichen. In der an der Platinoberfläche ablaufenden elektrochemischen Reaktion entsteht Strom, der sich messen lässt und der in seiner Stärke einen Rückschluss auf die Menge von Substanz P in der Probe erlaubt.

„Der schwierigste Schritt bei der Entwicklung dieses chipbasierten Messsystems war es, ein Verfahren zu etablieren, die Antikörper in den Kapillaren reproduzierbar zu immobilisieren“, sagt Dr. Bakirci. Die Forscher mussten aber auch verschiedene Eigenschaften der Kapillaren testen, damit Parameter wie die Wandergeschwindigkeit der Reaktionsflüssigkeiten oder die Inkubationszeit für das Testverfahren optimal sind. Und damit der Benutzer nur noch die Probe einfüllen muss, um nach 1,5 Stunden das Ergebnis auf dem Bildschirm ablesen zu können.

Die Einsatzgebiete, die sich für eine solche Technologie ergeben, liegen sofort auf der Hand. Abgesehen vom klinischen Bereich, für den Dr. Bakirci und sein Team jetzt schon verschiedene andere Biomarker-Testverfahren für die Diagnostik von Meningitis, Migräne, Herzkrankheiten oder Epilepsie entwickeln, sind auch mobile Teststationen für Dopingmittel etwa im Radsport denkbar. Die Forscher um Dr. Bakirci wollen ihr System in Zukunft automatisieren, sodass alle Arbeitsschritte unkompliziert und standardisiert ablaufen können, ohne dass viel menschliche Arbeitszeit anfällt. Die Testverfahren für jeden neuen Biomarker erfordern zahlreiche Validierungsversuche, und das geht nicht ohne die Industrie. Die Forscher vom IMTEK kooperieren eng mit verschiedenen Firmen, der Substanz-P-Chip wird in naher Zukunft auf den Markt kommen. Und andere Biomarker-Chip könnten folgen.

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