Patientennaher Hormontest in Aussicht
Biosensoren detektieren die Konzentration oder Aktivität chemischer Stoffe über natürliche Moleküle wie Enzyme oder Antikörper, die andere Stoffe binden, um zu überleben. Antikörper sind kostspielig in der Produktion, sodass die Minimierung der Biosensorkosten bei gleichzeitiger Maximierung der Selektivität und Empfindlichkeit oftmals schwierig zu erreichende Ziele sind. Bislang sind hocheffiziente, aber kostspielige Antikörpertests im Blutserum der Goldstandard für die Hormondetektion. Mit der Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendienprogramm entwickelte das SENSHOR-Projekt eine erschwingliche und effektive Alternative, welche die Antikörper mit etwas Hilfe von Bakterien ersetzt. Die Beprobung von Urin anstellte von Blutserum öffnet zudem die Tür zu kosteneffektiven, patientennahen Biosensoren für alle Arten wichtiger Moleküle.
Von der bakteriellen Genetik und Quantenpunkten zu Biosensoren
Progesteron ist ein wichtiges Steroidhormon, das eine wichtige Rolle für die Regulation des Menstruationszyklus und für die Vorbereitung des Uterus auf die Schwangerschaft spielt. Serumprogesterontests werden eingesetzt, um die Fruchtbarkeit und den Schwangerschaftszustand zu bewerten. Diese basieren jedoch auf Antikörpern, die schon kostspielig in der Produktion sind und sich unumkehrbar an das Progesteron binden, sodass sie nicht zurückgewonnen und wiederverwendet werden können. Im Kontext einer starken Zusammenarbeit mit Mark W. Grinstaff, James E. Galagan und den Kolleginnen und Kollegen an der Boston University hatten Projektkoordinator Sébastien Lecommandoux und Stipendiatin Chloé Grazon, jeweils von der Universität Bordeaux, eine bessere Idee. „Die wichtigste Innovation des SENSHOR-Projekts war die Verwendung von Proteinen mit der Bezeichnung Transkriptionsfaktoren (TF), um Hormone zu detektieren. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die in der Gegenwart eines Analyten spezifische DNS-Sequenzen zur Steuerung der Genexpression umkehrbar binden. Es wurden erstmals hormonempfindliche Proteine in Bakterien erzeugt und ex vivo verwendet, um einen Sensor zu entwickeln“, erklärt Lecommandoux. Um ein detektierbares Signal zu erzeugen, nutzte Grazon das hier ideal anwendbare Phänomen des Fluoreszenz-Resonanzenergietransfers (FRET). FRET ist ein entfernungsabhängiges physikalisches Verfahren, um Energie von einem angeregten molekularen Fluorophor (Donator) auf ein anderes Fluorophor (Akzeptor) zu transferieren. Im Falle des Sensors ist das Donator-Akzeptor-Paar ein durch Fluoreszenz markiertes TF-Protein und eine fluoreszierende DNS-Sequenz. Falls kein Hormon in der Lösung präsent ist, um den Donator und Akzeptor zu distanzieren, kann Energie auch gemäß dem FRET-Verfahren ausgetauscht werden. Die Präsenz des Hormons löst die Bindung, sodass der Energietransfer verhindert und das Fluoreszenzsignal gestört werden. Die Fluoreszenz geht auf Quantenpunkte zurück, die aufgrund ihrer Helligkeit und ihrer Resistenz gegen Photobleichung ausgewählt wurden. Lecommandoux führt weiter aus: „Im Rahmen von SENSHOR verbesserten wir die Stabilität der FRET-Fluoreszenz-Quantenpunkte. Deren Robustheit ermöglichte uns ebenfalls die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und somit die Detektionsgrenze des Sensors.“
Wegbereiter für patientennahe Biosensoren
Wir verwendeten unsere wegweisende Biosensorplattform für die erfolgreiche Detektion von Progesteron in Urin in physiologischen Konzentrationen und entwickelten ein erschwingliches und portables Tischgerät, das die gleiche Fluoreszenzreaktion auf eine Progesterontitration liefert. Mit der gleichen Methodik könnten wir einen Biosensor für nahezu alles, was von Bakterien verstoffwechselt wird, entwickeln“, erklärt Grazon. Diese bahnbrechenden Ergebnisse wurden in der renommierten Peer-Review-Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Das Team immobilisierte den Biosensor an einer Oberfläche erfolgreich und bettete diesen auch in Hydrogel ein – wichtige Schritte für die Entwicklung funktionaler Geräte zur Anwendung in der realen Welt. Die SENSHOR-Ergebnisse ebnen den Weg zu kosteneffektiven, portablen und patientennahen Biosensoren für Hormone und mehr.
Schlüsselbegriffe
SENSHOR, Biosensor, Progesteron, FRET, Bakterien, Antikörper, TF, Quantenpunkte, Transkriptionsfaktor, Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer
