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SensScreen Technologies: Magnetseparation erobert biotechnologische Einsatzfelder

Bei der Protein-Aufreinigung gelangt die biopharmazeutische Industrie zunehmend an ihre technischen und wirtschaftlichen Grenzen. Die momentan gängigen chromatografischen Verfahren sind teuer, zeitaufwendig und aufgrund der vielen einzelnen Prozessschritte mit hohen Produktverlusten verbunden. Spezielle magnetische Mikropartikel, wie sie der Chemiker Dr. Jochen F. Peter mit seiner neu gegründeten Firma SensScreen Technologies in Esslingen entwickelt, offerieren jetzt eine vielversprechende Alternative.

Dieses Unternehmen ist in der hier beschriebenen Form nicht mehr am Markt aktiv.

Erste Bekanntschaft mit den im Fachjargon Magnetbeads genannten kleinen, magnetischen Kügelchen machte Jochen F. Peter bereits während seiner Doktorarbeit an der TU München – das war 1997. In Kooperation mit dem Pharmaunternehmen Roche Diagnostics sollte der Chemiker Tests zum Nachweis verschiedener Biomarker entwickeln.

Dr. Jochen F. Peter ist Geschäftsführer von SensScreen Technologies. © BioRegio STERN/Bochum

Gerade das für die Früherkennung von Prostatakrebs bedeutsame Prostata-spezifische Antigen (PSA) bereitete dem Wissenschaftler allerdings einiges Kopfzerbrechen. Weil dieses in der Prostata gebildete Eiweiß im Blut nur in sehr geringer Konzentration vorhanden ist, erwies sich die Isolierung als äußerst schwierig.

Um die Ausbeute zu steigern, koppelte Peter den für die Erkennung des PSA eingesetzten Antikörper schließlich nicht wie beim Festphasen-ELISA an eine zweidimensionale Matrix, sondern verankerte ihn auf der Oberfläche von magnetischen Mikropartikeln, die er mit dem Probenmaterial durchmischte. Ziel dieses Vorgehens war es, die reaktive Fläche zu erhöhen - und der Erfolg war durchschlagend. Peter gelang es damit ausreichend PSA zu isolieren, um dessen Proteinstruktur zu analysieren. „Das war ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einem empfindlicheren Messverfahren", so der Chemiker im Rückblick, und führte zu der ersten Strukturaufklärung dieses hochkomplexen Glykoproteins.

Großtechnischer Maßstab als neue Herausforderung

Die Isolierung von Proteinen mit magnetischen Mikropartikeln ist im Labor-Maßstab bereits Routine. © Invitrogen / Dynal

Inzwischen hat sich die Methode der Magnetseparation in der Labor-Analytik fest etabliert - und zwar nicht nur bei der Isolierung von Proteinen oder Nukleinsäuren, sondern beispielsweise auch bei der Zellsortierung und -typisierung. „Kommerziell erhältliche magnetische Mikropartikel für diese Anwendungen gibt es mittlerweile wie Sand am Meer", weiß Peter, „diese unterscheiden sich in ihrem Aufbau zum Teil aber ganz erheblich."

"Während viele Partikel auf der Basis von Polystyrol - einem Kunststoff - entwickelt wurden, ummantelt Peter seine im Inneren der Partikel enthaltenen magnetischen Kristalle mit einem speziellen Silicakompositmaterial. Letzteres hat den Vorteil, dass an diesem Material fast keine unspezifischen Proteinbindungen auftreten, die die Diagnostik beeinträchtigen könnten. „Sehr viel Innovation steckt aber auch in den speziellen Klebesystemen, mit denen die Antikörper an die Partikeloberfläche gekoppelt werden", berichtet der Chemiker, der bis vor Kurzem noch an der TU München am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik als Projektleiter tätig war.

Vom technischen und wirtschaftlichen Potenzial seiner inzwischen patentierten magnetischen Partikel ist Peter fest überzeugt: „So erlauben zum Beispiel unsere Reverse Phase (RP) SensBeads auf Peptid-Ebene eine zehnmal sensitivere Messung als die Produkte der Konkurrenz." Doch Peter möchte mit seiner im März 2009 gegründeten Firma SensScreen Technologies am Standort Esslingen nicht nur Partikel für die Analytik produzieren: „Das Verfahren für den Einsatz in der großtechnischen Produktion zu modifizieren - zum Beispiel für die Aufreinigung von rekombinant hergestellten Antikörpern oder Proteinen - stellt jetzt die nächste Herausforderung dar."

Verbesserte Expressionssysteme als Chance

Dafür ist vor allem auch die Entwicklung von entsprechenden markttauglichen Magnetseparatoren notwendig. „Wir arbeiten deshalb eng mit einer Firma zusammen, die sich auf die Entwicklung von Permanentringmagneten spezialisiert hat“, berichtet Peter. Mit diesen gelingt es nun auch bei größeren Flüssigkeitsmengen, die mit dem Zielprotein beladenen Magnetpartikel selektiv im Probengefäß zurückzuhalten und vom Rest der Lösung zu trennen. Die anschließende Elution – also das Herauslösen der gebundenen Substanz - liefert das gewünschte Produkt schließlich in aufgereinigter Form. „Die bei der klassischen Chromatografie zuerst notwendige Filtration der Fermentationsbrühe entfällt bei der Magnetseparation komplett“, erklärt Peter, „das spart nicht nur Zeit, sondern auch eine Menge Materialkosten.“ Zwei wichtige Gesichtspunkte, die den Geschäftsführer von SensScreen Technologies zuversichtlich stimmen, dass sich die Magnetseparation auch in den biotechnologischen Einsatzfeldern durchsetzen wird.

Magnete für großvolumige Systeme und neuartige Magnetpartikel machen die Magnetseparation auch für die biopharmazeutische Industrie interessant. © SensScreen/Peter

Ein limitierender Faktor ist bisher aber noch der Volumenbereich, in dem die magnettechnologische Aufreinigung zur Anwendung kommen kann. „Mehr als 100 Liter sind mit der momentan verfügbaren Technik nicht machbar", erklärt Peter. Allerdings kommen dem Chemiker die aktuellen Entwicklungen in der Herstellung biopharmazeutischer Produkte sehr entgegen. Lag im Jahr 2006 die Ausbeute an rekombinant produzierten Antikörpern in der Zellkultur noch bei 50 Mikrogramm pro Milliliter, so ist man inzwischen - nicht zuletzt aufgrund verbesserter genetischer Expressionssysteme - bei Konzentrationen von 5 Milligramm pro Milliliter angelangt. „Durch diese Effizienzsteigerung reduziert sich das Ansatzvolumen im Bioreaktor ganz beträchtlich", so Peter, „wo man bisher 1.000 Liter benötigte, reichen jetzt 10 Liter aus." Und für genau diesen Bereich sieht sich Jochen F. Peter mit seinen SensScreen-Produkten hervorragend gerüstet.

Ausgezeichnetes Messverfahren

Unterstützung erhält der Jung-Unternehmer sowohl vom Land Baden-Württemberg als auch von der Stadt Esslingen, wo Peter im Gebäude des Life Science Center kürzlich neue Räume beziehen konnte. Weiteres Startkapital erhofft sich der Chemiker zudem aus dem High-Tech Gründerfonds: „Momentan sieht das auch sehr vielversprechend aus“, so der gebürtige Schwabe. Doch obwohl der 44-Jährige ganz offensichtlich das Tüftler- und Unternehmer-Gen seiner Familie geerbt hat - sein Urgroßvater hat einst die Verpackungsmaschine erfunden und 1861 die Firma Hesser AG in Cannstatt gegründet (heute Robert Bosch GmbH), der Vater führte in Stuttgart ein erfolgreiches Ingenieurbüro – mit dem Herzen ist Peter ein Stück weit Wissenschaftler geblieben: „Ich hoffe immer noch, dass wir mit meiner Methode irgendwann eine schlagkräftige Brustkrebsdiagnostik auf die Beine stellen können.“

Die letzten Jahre nämlich optimierte Peter sein Verfahren dahingehend, dass sich das Sekretionsverhalten von Tumorzellen sehr empfindlich untersuchen lässt. „Mit unserer Analytik können wir inzwischen jede Zelle und jeden Zellzustand auslesen“, so der Chemiker, der dafür mit zwei international renommierten Preisen ausgezeichnet wurde. Bei invasiv wachsenden Tumorzellen der Brustdrüse gelang es ihm damit, zahlreiche Peptide nachzuweisen, die bei nichtinvasiven Zellen nicht zu finden sind. Zu gern würde er sich jetzt mit diesen etwas näher beschäftigen, denn Peter weiß ganz genau: „Das sind alles potenzielle Biomarker und diese würden die Früherkennung von Brustkrebs deutlich verbessern.“

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