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Neue Biosensoren helfen bei der Kontrolle von Phenylketonurie

Im Rahmen des Projekts LABPATCH werden zwei innovative Biosensoren entwickelt, um medizinische Fachkräfte bei der besseren Ermittlung des Phenylalanin-Werte zu unterstützen – diese sind ein wichtiger Indikator für die Stoffwechselstörung Phenylketonurie.

Gesundheit

Phenylketonurie (PKU) ist ein seltener Geburtsdefekt, der in einer geringeren Verstoffwechselung der Aminosäure Phenylalanin (Phe) resultiert. Falls eine Behandlung ausbleibt, kann die Störung zu geistigen Beeinträchtigungen, Krampfanfällen, psychischen Erkrankungen und Verhaltensproblemen führen. Bei einer frühzeitigen Entdeckung über neu entwickelte Screening-Programme kann die Störung jedoch durch eine streng kontrollierte Ernährung gehandhabt werden. Aufgrund einer Kombination aus der Seltenheit der Störung, der Komplexität von Tests und der hohen Kosten für die erforderliche Laborausrüstung führen leider viele Krankenhäuser in Entwicklungsländern keine regelmäßigen PKU-Screenings durch. Das Problem verkompliziert sich durch die Tatsache, dass eine Überwachung der Phenylalanin-Werte im Blut von zu Hause aus derzeit nicht machbar ist. Das EFR-finanzierte Projekt LABPATCH (Lab-in-a-patch for PKU self-assessment) zielt darauf ab, dies durch die Entwicklung von enzymbasierten Biosensoren zu ändern, die Phenylalanin-Werte – einen wichtigen Indikator für PKU – ohne Weiteres ermitteln können. „Durch Senkung der Kosten von Materialien, die für die Messungen verwendet werden, werden die LABPATCH-Biosensoren Krankenhäusern und Patienten in Entwicklungsländern zugänglich sein“ sagt Paul Soto, ein an dem Projekt beteiligter Forscher.

Zwei innovative Biosensoren

Aufbauend auf der Arbeit an Biosensoren, die während des vorhergehenden EU-finanzierten Projekts LT-NRBS durchgeführt worden war, entwickeln die LABPATCH-Forscherinnen und -Forscher jetzt einen spektralfotometrischen enzymatischen Biosensor und einen elektrochemischen Biosensor. Im Hinblick auf den ersten Biosensor werden die enzymatischen Assays, die zur Messung der L-Phe-Werte genutzt werden, in Mikrotiterplatten mit 96 Wells durchgeführt. Dies ermöglicht, dass Proben von mehreren Patienten gleichzeitig analysiert werden können sowie einen hohen Durchsatz, was wiederum eine häufigere Überwachung der L-Phe-Werte gewährleistet. „Der Biosensor demonstriert eine hohe Empfindlichkeit im physiologischen Bereich von L-Phe-Konzentrationen, dies bedeutet, dass er L-Phe-Werte in Verbindung mit dem Fortschreiten von PKU ermitteln kann“, erklärt Projektforscherin Morgane Valles. „Der Biosensor nutzt zudem immobilisierte Enzyme, was seine Haltbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Kosteneffizienz steigert.“ Den elektrochemischen Biosensor tragen Patienten zu Hause als Pflaster. Das Pflaster beinhaltet Elektroden, die mit Phe-selektiven Biorezeptoren modifiziert wurden, welche automatisch in nichtinvasiver Weise das Phe-Niveau im Schweiß detektieren, ohne dass medizinische Fachkenntnisse oder kostspielige Einrichtungen erforderlich wären. Das Pflaster ist mit einer miniaturisierten Steuereinheit für den Elektrodenbetrieb und für die drahtlose Datenübertragung an ein externes Gerät (d. h. Smartphone oder Tablet) verbunden. Es wurde festgestellt, dass die LABPATCH-Biosensoren, die an anonymisierten, mit verschiedenen Phenylalaninkonzentrationen angereicherten menschlichen Blutproben validiert wurden, zwischen den Probenreihen reproduzierbar sind.

Breiterer Zugang zu Früherkennung

Durch die Entwicklung der kostengünstigen, benutzerfreundlichen Biosensoren ist das LABPATCH-Projekt gut aufgestellt, um die PKU-Erkennung in Entwicklungsländern maßgeblich verändern zu können. „Phe-Konzentrationen im Blut werden typischerweise ausschließlich in speziellen Laboren und lediglich einmal oder zweimal pro Monat analysiert“, sagt Projektforscher Rafael Artuch. „Mit LABPATCH können Patienten die Phe-Werte zu Hause kontrollieren, um Ärzten die Daten bereitzustellen, die sie benötigen, um die Krankheit besser kontrollieren zu können.“ Trotz dieser Erfolge betonen die Projektforscher, dass es Verbesserungsbedarf gebe, insbesondere was die Reproduzierbarkeit und die chemische und thermische Instabilität der Biosensoren anbelange. „Diese natürlichen technologischen Nachteile von enzymbasierten Sensoren lassen sich durch eine angemessene Biosensorcharakterisierung und durch Proteinmanipulationen lindern“, merkt Soto an. „Diese Verbesserungen werden im Fokus der nächsten Projektphase stehen.“

Schlüsselbegriffe

LABPATCH, Biosensor, Phenylketonurie, PKU, Phenylalanin, L-Phe, LT-NRBS, spektralphotometrischer enzymatischer Biosensor

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