Das Zukunftslabor: Wirkungsbezogene- und instrumentelle Analytik

  • Abb.1: Die Kombination von wirkungsbezogener- und instrumenteller AnalytikAbb.1: Die Kombination von wirkungsbezogener- und instrumenteller Analytik

Um Strukturen in den Bereichen Forschung und Innovation zu stärken, hat die nordrhein-westfälische Landesregierung im Frühjahr 2016 mit „Forschungsinfrastrukturen NRW“ eine neue Förderinitiative ins Leben gerufen. Ziel des Wettbewerbs ist es, die Kompetenzen von Wissenschaft und Wirtschaft in der wirksamen Umsetzung ihrer Möglichkeiten an den Herausforderungen der Zukunft auszurichten.

Von den in der ersten Runde eingereichten fünfzig Beiträgen hat das Auswahlgremium nun die 18 besten Projekte mit einem Finanzvolumen von 60 Millionen Euro zur Förderung empfohlen. Für das von IUTA eingereichte Projekt Futurelab NRW: Digitalisiertes Modelllabor für die miniaturisierte instrumentelle und wirkungsbezogene Analytik der Zukunft wurde eine Förderempfehlung ausgesprochen. Futurelab NRW verfolgt das Ziel, die Infrastruktur für das digitalisierte Modelllabor für die miniaturisierte instrumentelle und wirkungsbezogene Analytik der Zukunft zu realisieren.
Kleine und große Moleküle

In den vergangenen Jahren haben sich insbesondere im Bereich der antineoplastischen Wirkstoffe neue Substanzen etabliert, die sich deutlich von den bisherigen „kleinen Molekülen“ unterscheiden und in der passiven, spezifischen Krebsimmuntherapie eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei um therapeutisch wirksame monoklonale Antikörper (mAk), d. h. um gentechnisch veränderte Immunglobuline der Klasse G, die in der Lage sind, Krebszellen zu entdecken. Während die Analyse niedermolekularer Zytostatika im Rahmen der Arbeitsplatzsicherheit im Gesundheitswesen bereits gelebte Praxis ist, werden Biopharmazeutika nicht erfasst. Ein Grund hierfür ist, dass das Gefährdungspotential der Biopharmazeutika kontrovers diskutiert wird. Darüber hinaus gibt es keine analytischen Methoden, die eine Erfassung relevanter Konzentrationen von monoklonalen Antikörpern in Luft erlauben. Genau diese Lücke möchte das IUTA im Rahmen des Aufbaus der Futurelab NRW Plattform sowie weiterer begleitender FuE-Maßnahmen schließen.

Die kleinen Moleküle werden jedoch auch weiterhin im Fokus der Gesamtaktivitäten des IUTA bleiben. Das IUTA beschäftigt sich bereits seit vielen Jahren mit weitergehenden Verfahren zur oxidativen und adsorptiven Behandlung von Abwässern zur Reduktion von Spurenstoffen.

Instrumentelle versus wirkungsbezogene Analytik
Dank hochsensitiver instrumenteller Analysemethoden können Mikroschadstoffe nicht nur besser erfasst, sondern ihre ökologischen Auswirkungen auch besser beurteilt werden.

Konventionelle Kläranlagen, die mit einer mechanisch-biologischen Reinigungsstufe ausgestattet sind, sind nicht darauf ausgelegt, gezielt Spurenstoffe aus dem Abwasser zu entfernen.

Um die Frage beantworten zu können, welche Technologie oder Kombination von Technologien für eine effektive Abwasserreinig am geeignetsten ist, ist eine hocheffiziente Analytik erforderlich, die möglichst viele relevante Substanzen erfasst. Hierbei werden im Wesentlichen zwei Strategien angewendet. Mit Hilfe der instrumentellen Analytik auf Basis der Flüssigkeitschromatographie und hochauflösenden Massenspektrometrie wird versucht, eine Identifizierung aller potenziellen Mikroschadstoffe in einem sehr niedrigen Konzentrationsbereich (1 ng/L) vorzunehmen. Diese Vorgehensweise führt in der Praxis jedoch nicht zu einer zielgerichteten Lösung.

Parallel dazu haben sich Assays auf Basis von Zellsystemen etabliert, mit deren Hilfe unterschiedliche Wirkungen einer Probe nachgewiesen werden können. Da die Messung einer Wirkung in Form eines Summenparameters erfolgt, können die in einer Probe enthaltenen Einzelsubstanzen nicht quantifiziert werden. Um die stofflichen Ursachen für die biologische Wirkung einer Wasserprobe zu verstehen ist es notwendig, die Substanzen, die diese Wirkung hervorrufen, näher zu charakterisieren. Dies macht eine Kombination von biologischen Testverfahren mit der chemischen Analytik zwingend notwendig.

Miniaturisierung und Digitalisierung
Im Rahmen der FutureLab NRW-Plattform sollen nun alle verfügbaren Technologieansätze zu einem Gesamtsystem verbunden werden. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Miniaturisierung gelegt. Durch das neue Labor soll die Nutzung dieser Systeme unter praxisrelevanten Bedingungen demonstriert und ein aktiver Wissenstransfer in die Industrie geschaffen werden.

Auch die Digitalisierung und Automation spielt eine zentrale Rolle. Dies betrifft sowohl die Frage der Schnittstellen zwischen den Analysengeräten und Laborinformations-Management-Systemen (LIMS) als auch die Möglichkeit, die Flexibilität zu bewahren. Einzelne Softwarepakete, die keine Inklusion wichtiger Metadaten erlauben, stellen vor dem Hintergrund immer komplexerer Arbeitsabläufe im Labor nur Insellösungen dar. Demgegenüber stehen Entwicklungen, die eine Vernetzung mit weiteren Datenbanken erlauben. Diese Konzepte sind technologisch jedoch noch nicht soweit ausgereift, um einen automatisierten Datentransfer in zentrale Datenbanken zu ermöglichen und eine Anbindung „intelligenter und funktionalisierter Labormöbel“ und Labornutzungsgegenstände, wie z. B. Waagen, Pipetten und Sensoren zur Überwachung des Raumklimas zu gewährleisten.

Kontakt
Dr. Thorsten Teutenberg
Bereichsleiter Forschungsanalytik & Miniaturisierung
Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA)
Duisburg, Deutschland
teutenberg@iuta.de

Referenz:
[1] Reinders, Lars; Klassen, Martin; Jaeger, Martin; Teutenberg, Thorsten; Tuerk, Jochen; Development of an analytical method to assess the occupational health risk of therapeutic monoclonal antibodies using LC-HRMS, submitted to Analytical and Bioanalytical Chemistry.

Das Zukunftslabor: http://www.git-labor.de/das-zukunftslabor
Fortschrittliche Chromatographie: http://www.git-labor.de/fortschrittliche-chromatographie

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