Das Taschentuchlabor

Schnelldiagnostik mit modifizierten Hygienetüchern

  • Abb. 1: Konzept des „Taschentuchlabors“Abb. 1: Konzept des „Taschentuchlabors“
  • Abb. 1: Konzept des „Taschentuchlabors“
  • Abb. 2: Stärke der Bindung von Hämagglutinin-Material aus den Jahren 1968, 2004 und 2009 an ausgewählte Varianten einer peptidischen Erkennungsstruktur für Influenza-Hämagglutinin. (WT = Wildtyp, bei den Varianten 1 – 16 wurden Aminosäuren definiert ausgetauscht). Die Bindung wurde über Surface-Plasmon-Resonance-Messungen (SPR) bestimmt. Hierbei wurden die Erkennungsstrukturen als „Binder“ immobilisiert, und das Hämagglutinin-Material wurde als löslicher „Analyt“ eingesetzt. Hohe Werte im Diagramm entsprechen einer starken Bindung. Die Erkennungsstrukturen 2, 13 und 14 konnten somit hinsichtlich ihrer Erregerbindung im Vergleich zum Wildtyp noch optimiert werden.
  • Abb. 3: Biotin wird an definierten Stellen in ein responsives Hydrogel aus Polymeren eingekoppelt. Die Zugabe von Streptavidin löst einen Kollaps des Hydrogels aus. Durch Einkopplung von molekularen Signalsystemen soll dieser Kollaps die Bindung eines Erregers in ein sichtbares Signal umwandeln.

Taschentücher mit eingebauter Grippediagnostik, Wischtücher zum direkten Nachweis von resistenten Krankenhauskeimen - sieht so die Diagnostik von morgen aus? Heute wird der Nachweis von Erregern in speziellen Laboratorien durchgeführt. Somit stehen in vielen relevanten Bereichen wichtige Informationen nicht sofort zur Verfügung, da medizinische Proben zunächst in entsprechend ausgestattete Laboratorien transportiert werden müssen.

Ein niedergelassener Arzt kann so z. B. nicht unmittelbar in seiner Praxis entscheiden, ob ein Patient an einer harmlosen Erkältung oder einer echten Virusgrippe erkrankt ist. Diese Information ist allerdings außerordentlich wichtig für die Auswahl der wirksamsten Medikation und so werden oftmals virale Infekte „präventiv" mit einem Breitband-Antibiotikum therapiert, was im schlimmsten Fall nur wenig wirksam ist und gleichzeitig die Ausbreitung von resistenten Keimen begünstigt.

Das Taschentuchlabor
Das Projekt „Das Taschentuchlabor - Impulszentrum für integrierte Bioanalyse" hat daher das Ziel, ein komplettes diagnostisches System in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, namentlich Hygienetücher, zu integrieren. Das Projekt wurde 2009 durch den Potsdamer Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT und die Universität Potsdam initiiert. Als weitere Partner sind das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP (Golm), die Berliner Charité, fünf Biotechnologie-Unternehmen aus Berlin und Brandenburg sowie vier weitere wissenschaftliche Einrichtungen beteiligt.

Mit den im Projekt entwickelten Systemen sind Taschentücher zur unmittelbaren Detektion einer Virusgrippe, aber auch Wischtests zur Sicherung hoher hygienischer Standards, wie z. B. in der Gastronomie oder in Krankenhäusern, denkbar. Im Zentrum der Arbeiten im Projekt stehen (1) die Generierung von hochspezifischen, von Antikörpern abgeleiteten Erkennungsstrukturen zur Detektion von Erregern, (2) die Kopplung dieser Strukturen an flexible Oberflächen auf Basis neuartiger Hydrogele, und (3) die Erzeugung eines schnellen und direkt erkennbaren Signals, das die spezifische und sichere Erkennung von Erregern anzeigt (s.

Abb. 1).

Auf dem Weg zu Superantikörpern
Das „Taschentuchlabor" adressiert mit unterschiedlichen Projektgruppen eine Vielzahl pathogener Erreger wie z. B. Influenza, Salmonella oder MRSA (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus). In einem ersten Prozess, dem sog. Epitopmapping, werden bestimmte Strukturen dieser Erreger identifiziert, über die auch deren Erkennung durch Antikörper des Immunsystems stattfindet. Hierbei handelt es sich meist um Bereiche von immunodominanten Oberflächenproteinen oder -Glycanen, die über ein Screening identifiziert werden können. Die enorme genetische Variabilität pathogener Erreger stellt hier eine große Herausforderung bei der Auswahl von Zielstrukturen zur sicheren und spezifischen Erkennung der Erreger dar.

Auf Basis dieser Zielstrukturen werden anschließend komplementäre Erkennungsstrukturen generiert. Grundlage für diese Strukturen bilden zunächst entsprechende monoklonale Antikörper gegen die Zielstrukturen. Die Bereiche der Antikörper, die die Zielstrukturen erkennen, werden anschließend über ein sog. Paratopmapping weiter eingegrenzt, sodass man im Vergleich zu (großen) Antikörpern wesentlich kleinere, peptidische Erkennungsstrukturen erhält, die weitaus flexibler als Antikörper einsetzbar sind. Über eine Variation von Aminosäuren im Peptid ist es zudem möglich, die Bindung/Erkennung im Vergleich zum wildtypischen Peptid sogar noch deutlich zu steigern. So kann z. B. eine peptidische Struktur aus nur 8 Aminosäuren Influenza-Material aus sehr unterschiedlichen Jahren (1968, 2004, 2009) sicher und spezifisch erkennen (s. Abb. 2, Publikation in Vorbereitung). Über die molekulare Kombination unterschiedlicher Erkennungsstrukturen, die gleichzeitig mehrere Zielstrukturen eines Erregers erkennen, sollen künstliche „Superantikörper" entstehen, die die Spezifität entsprechender Tests entscheidend verbessern könnten.

Kollabieren, aber richtig
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten im Projektverbund liegt auf der Bereitstellung von flexiblen, funktionalen Hydrogelen, an die Erkennungsstrukturen gekoppelt werden und die gleichzeitig auf flexible Träger wie z. B. Papiere aufgebracht werden können. Die spezifische Funktionalität dieser Hydrogele, die aus thermisch reaktiven Polymeren aufgebaut sind, besteht darin, dass sie unter bestimmten Bedingungen wie ein ausgepresster Schwamm kollabieren können. Dieser Kollaps soll im fertigen „Taschentuchlabor" durch die spezifische Erkennung und Bindung von Erregern über die eingebundenen Erkennungsstrukturen ausgelöst werden. Das Konzept konnte bereits erfolgreich mit einem Modellsystem demonstriert werden, in dem Biotin als Erkennungsstruktur eingebunden und der Kollaps durch Zugabe von freiem Streptavidin (das Biotin spezifisch erkennt und bindet) ausgelöst wurde (s. Abb. 3).

Ein solcher molekularer Kollaps ist für das bloße Auge allerdings nicht sichtbar. Daher werden zusätzlich auch molekulare Systeme zur Signalvisualisierung in die Hydrogele eingebunden. Im Projekt werden beispielsweise Systeme im Bereich des Fluoreszenz-Quenchings und der enzymatischen Farbgebung entwickelt. So sollen im ersten Fall Fluorophor und Quencher zunächst mit einem definierten, für das Quenching optimalen räumlichen Abstand in das Hydrogel eingebunden werden, sodass im nicht-kollabierten Zustand ein effektives Quenching stattfindet. Wenn eine Erregerbindung mit anschließendem Kollaps diese definierte Anordnung aufhebt, kann kein Quenching mehr stattfinden, was unter optimalen Bedingungen mit dem bloßen Auge erkennbar sein wird. Gleiches gilt für eine enzymatische Farbreaktion, die durch einen Kollaps des Hydrogels ausgelöst wird, indem Enzyme und Substrate räumlich getrennt eingebunden und erst durch den Kollaps zusammengeführt werden. Da die entwickelten Strukturen gleichzeitig Erreger erkennen und dieses Ereignis in ein sichtbares Signal umsetzen, werden sie auch als Sensor-Aktor-Moleküle bezeichnet.

Von Bausteinen zum Gesamtsystem
Die Herausforderung für die weitere Projektlaufzeit besteht darin, die nun vorliegenden modularen Bausteine in ein Gesamtsystem zu integrieren. Hierbei stellt die enorme Interdisziplinarität im Projekt gleichzeitig eine Bereicherung und eine Herausforderung dar. Während Polymerchemiker üblicherweise Substanzen im mg-Bereich in Polymere einbinden, generieren Biologen entsprechende Strukturen im µg-Bereich. Zudem ist es sehr wichtig, dass alle beteiligten Mediziner, Biologen, Physiker und Chemiker eine gemeinsame Sprache finden, da beispielsweise das Wort „Substrat" in verschiedenen wissenschaftlichen Teildisziplinen völlig unterschiedlich besetzt ist.

Das Projekt an dem mehr als 70 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 14 Institutionen arbeiten, wird noch bis Herbst 2014 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Spitzenforschung und Innovation in den neuen Bundesländern" gefördert. Dann ist mit ersten Demonstratoren zu rechnen, die von der Industrie aufgegriffen und zu kommerziell erhältlichen „Taschentuchlaboratorien" weiterentwickelt werden können.

Einen weiteren Artikel zum Thema Taschentuchlabor finden Sie hier.

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Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik - IBMT
Am Mühlenberg 13
14476 Potsdam
Deutschland
Telefon: 0331/58187-0
Telefax: 0331/58187-199

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