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Ultrabright Turn-on Fluorescent Organic Nanoparticles for Amplified Molecular Sensing in Living Cells

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Es werde Licht – und zwar nicht zu knapp – für den einfachen Nachweis von Biomolekülen

Fluoreszierende Sonden, die in der Gegenwart von spezifischen Molekülen aufleuchten, sind wie Leuchtfeuer in der Nacht. EU-finanzierte Forschung hat Nanopartikelsonden hergestellt, die so hell sind, dass sie gegebenenfalls von einem Smartphone erkannt werden könnten.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Die Leuchtkraft hochspezifischer fluoreszierender Sonden zu verstärken, erhöht die Genauigkeit, mit der einzelne Moleküle nachgewiesen werden können. Dies ist bei zahlreichen Anwendungen, von der medizinischen Diagnose bis hin zur Umweltüberwachung, von entscheidender Bedeutung. Das EU-finanzierte Projekt BrightSens hat eine fluoreszierende Sonde mit bislang unerreichter Leuchtkraft entwickelt, bei der maßgeschneiderte fluoreszierende Nanopartikel zum Einsatz kommen. Prinzipiell ebnet diese Innovation den Weg für äußerst genaue patientennahe Diagnostik, die kostengünstige, serienmäßig produzierte Kamerasysteme verwendet – vielleicht sogar ein Smartphone.

(Signal-)Stärke durch Überzahl

Im Rahmen von BrightSens konnte das Team unter der Leitung des Hauptforschers Andrey Klymchenko Tausende fluoreszierende Farbstoffmoleküle in einem einzigen Nanopartikel vereinen, das als „Nanoantenne“ fungiert. Das Team modifizierte die Oberfläche des Nanopartikels mit Nukleinsäuren (oder Proteinen), damit es die Biomoleküle von Interesse erkennen konnte. Diese wurden mit besonderen molekularen „Schaltern“ (Energieakzeptoren) auf der Oberfläche des Nanopartikels verbunden, die die Lichtabstrahlung von 100-1 000 eingeschlossenen Farbstoffen „anschalten“, wenn auch nur ein einziges Biomolekül erkannt wird. Andrey Klymchenko, der für dieses Projekt ein Stipendium vom Europäischen Forschungsrat erhielt, erklärt: „Die einzigartige Eigenschaft unserer Nanopartikel ist, dass die Tausenden eingeschlossenen Farbstoffe mit nur einem einzigen Energieakzeptormodul kommunizieren können. Die Farbstoffe verhalten sich wie ein Orchester – der ‚Dirigent‘ (der Energieakzeptor) gibt ihnen allen gleichzeitig den Takt vor. Auf diese Weise wird das Signal eines einzelnen Akzeptors etwa tausendfach verstärkt.” Diese Verstärkung ermöglichte den ersten Nachweis einzelner fluoreszierender Moleküle unter Anregungsbedingungen, die dem umgebenden Sonnenlicht entsprechen. Auf Grundlage dieser Errungenschaft entwickelte das Team den Prototyp einer Nanosonde zum Nachweis amplifizierter DNS und es konnte eine Nachweisempfindlichkeit erreichen, mit der einzelne DNS/RNS-Moleküle erkannt werden. Das Team hat infolge dieser Erkenntnisse zwei Patente angemeldet, sodass Ergebnisse des BrightSens-Projekts bislang zu fünf Patenten geführt haben. Ein wichtiger Wegbereiter der bahnbrechenden Lichtemissionsverstärkung war die Verwendung von innovativen ionischen „Abstandhaltern“, die verhindern, dass die flachen Farbstoffmoleküle sich in den Nanopartikeln wie Pfannkuchen stapeln und so nicht fluoreszierende Anhäufungen bilden. Ein Spezialpolymerdesign machte es möglich, die Größe der Nanopartikel von 40 nm auf 9 nm zu senken, was die freie Diffusion innerhalb der Zelle erleichtert. „Diese Nanopartikel gehören zu den hellsten bislang bekannten Nanoobjekten, etwa 100 Mal heller als Quantenpunkte – die winzigen Halbleiter, die viele Jahre lang als der Goldstandard leuchtstarker Nanopartikel galten“, so Klymchenko. Das Verfahren wurde auch auf andere Farbstoffe ausgeweitet und führte so zu Nanopartikeln mit verschiedenen Farben. Klymchenko erklärt: „Die Kombination von Nanopartikeln mit drei verschiedenen Farben wie in einem Farbdrucker ermöglichte uns, lebende Zellen mit einem ‚Barcode‘ zu versehen, der aus bis zu 13 verschiedenen Farben bestand, und dann die Zellen mehr als zwei Wochen lang zu beobachten.“ Diese Nanopartikel zur Barcodemarkierung wurden bereits vom französischen Biotechnologieunternehmen Lymphobank kommerzialisiert.

Der Weg zur patientennahen, medizinischen Diagnostik per Smartphone

Die wegweisende BrightSens-Technologie ebnet dem Nachweis spezifischer Biomoleküle mit sehr einfachen Geräten den Weg. Das Team geht der Lizenzierung seiner Patente an mehrere Biotechnologieunternehmen nach und erwägt ein Start-up zu gründen, um die entwickelten Nanosonden zu vermarkten. Klymchenko fasst zusammen: „Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren wird unsere Technologie rasche, einfache und kostengünstige Diagnosen ermöglichen. Darüber hinaus werden die Sonden zelluläre Forschungsbemühungen zu Krebs und anderen Krankheiten beschleunigen, die auf dem Nachweis und der Bildgebung von mRNS und mikroRNS beruhen.“

Schlüsselbegriffe

BrightSens, Nanopartikel, fluoreszierend, Molekül, Diagnostik, Nachweis, Farbstoff, Sonde, Abstrahlung, umgebendes Sonnenlicht, Verstärkung, eingeschlossene Farbstoffe, fluoreszierende Sonde, patientennah, Nanoantenne, Biomolekül, Polymer

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