video: This is EPFL's video on the new antibody-based biosensor developed by the lab of Professor Kai Johnsson and the startup LUCENTIX. view more
Credit: ñK
Die Fähigkeit, die Konzentration eines Medikaments im Blut eines Patienten zu verfolgen, ist ein wichtiger Aspekt jeder medikamentösen Behandlung. Dies erfordert allerdings Geräte und Einrichtungen, die im Gesundheitswesen in Entwicklungsländern oftmals fehlen, aber auch anderswo die Lebensqualität von Patienten beeinträchtigen. Wissenschaftler der EPFL, die in ihrem Startup-Unternehmen LUCENTIX tätig sind, haben nun einen mit Antikörpern verbundenen Biosensor entwickelt, der die Arzneimittelkonzentration im Blut durch die Änderung seiner Farbe anzeigen kann. Der Biosensor ist in ein vollständiges System integriert, das vor Ort oder von Patienten bei sich daheim verwendet werden kann. Die zugrundeliegende Studie ist in Angewandte Chemie veröffentlicht.
Das Labor von Kai Johnsson an der EPFL ist für die Entwicklung von Biosensoren bekannt und die Forschung führte zur Gründung des Startups LUCENTIX. Das Unternehmen hat einen Biosensor entwickelt, mit dem Patienten die Arzneimittelkonzentrationen in ihrem Körper bequem messen können, ohne hierfür komplexe Laborsysteme zu benötigen.
Der Biosensor ist ein aus drei Komponenten bestehendes Molekül. Der erste Bestandteil ist ein Protein, das das zu überwachende Medikament binden kann. Der zweite ist das Licht erzeugende Enzym Luciferase. Und der dritte ist ein als SNAP-Tag bezeichnetes Markermolekül", das einen fluoreszierenden Liganden trägt, den das Protein (die erste Komponente) erkennt und bindet, wenn kein Medikament vorhanden ist. Dies bewirkt eine Reaktion zwischen der Luciferase und dem fluoreszierenden Molekül, die als Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer" (BRET) bezeichnet wird und ein rotes Licht erzeugt.
Bei der von Postdoktorand Lin Xue erzielten Innovation wird das Bindungsprotein des Biosensors durch einen Teil eines Antikörpers ersetzt, der in Bezug auf das Zielmedikament entwickelt wurde. Wenn der Biosensor das Medikament im Blut oder im Speichel des Patienten erkennt und bindet, zieht der Antikörper es dem fluoreszierenden Liganden des SNAP-Tags vor. Da der Ligand verdrängt wird, wird die BRET-Reaktion allmählich unterbrochen und sendet nun ein blaues Licht aus.
Antikörper sind von Natur aus in der Lage, fremde Moleküle zu erkennen und zu binden und unser Immunsystem gegen potenzielle Infektionen einzusetzen. Darüber hinaus ist die Erzeugung von Antikörpern, die speziell kleine Moleküle wie Arzneimittel identifizieren können, ein Routineverfahren. Dies bedeutet, dass das Monitoring-System an eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Molekülen angepasst werden kann, wobei die Patienten die Überwachung daheim selbst durchführen und qualitativ hochstehende Informationen wie aus dem Labor erhalten können. Die aktuellen Labormethoden hierfür sind komplex und teuer und beeinträchtigen die Lebensqualität der Patienten, die sich oft ins Spital begeben müssen.
Das Ersetzen des Bindungsproteins durch einen Antikörper erschliesst neue Anwendungsgebiete für Biosensoren, die ein synthetisches Arzneimittel in der Blutprobe eines Patienten identifizieren können. Als Beweis hierfür haben die EPFL-Wissenschaftler die neuen Biosensoren im Labor erfolgreich mit drei Medikamenten - Methotrexat, Theophyllin und Chinin - getestet. Der nächste Schritt besteht darin, die Empfindlichkeit des Biosensors zu optimieren, damit er nanomolare oder noch geringere Konzentrationen von Arzneimitteln/Biomolekülen in klinischen Proben genau nachweisen kann.
Diese Arbeit ist vom Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, dem NFS Chemische Biologie und der EPFL unterstützt worden. Ferner erhielt sie Beiträge von der Protein Expression Core Facility der EPFL.
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Referenz
Lin Xue, Qiuliyang Yu, Rudolf Griss, Alberto Schena, Kai Johnsson. Bioluminescent antibodies for point-of-care diagnostics. Angewandte Chemie 16 May 2017. DOI: 10.1002/anie.201702403
Journal
Angewandte Chemie International Edition