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Gluten Epitope Molecularly imprinted polymer Sensor

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Tragbares, patientennahes Testgerät für Gluten in Lebensmitteln in Sicht

Für Zöliakie, die dauerhafte Intoleranz gegen Gluten durch das Immunsystem, gibt es keine Behandlung. Das EU-finanzierte Projekt GEMS entwickelte einen neuen chemischen Sensor, der erkennen kann, ob Nahrungsmittel glutenfrei sind.

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Etwa 1 % bis 2 % der europäischen Bevölkerung sind von Zöliakie betroffen. Dies führt zu geschätzten direkten Kosten für das Gesundheitswesen in Höhe von etwa 3 Mrd. EUR jährlich. Die Symptome der Erkrankung können schwerwiegend sein. Durch Autoimmunreaktionen werden die Darmzotten zerstört, fingerförmige Erhebungen im Dünndarm. Dies führt zur verringerten Aufnahme von Nährstoffen, möglicherweise zu Mangelernährung und zu dauerhaften Schäden am Darm.

Probleme und Lösungsvorschläge

„Es gibt keine bekannten medizinischen Behandlungen zur Heilung von Zöliakie. Die einzige Therapie ist eine lebenslange strenge glutenfreie Ernährung“, betont Alessandra Maria Bossi, Projektkoordinatorin von GEMS und Assistenzprofessorin an der Fakultät für Biotechnologie der Universität Verona. „Das wichtigste Ziel des Projekts GEMS war daher die Entwicklung eines tragbaren chemischen Sensors für schnelle patientennahe Tests des Glutengehaltes in Lebensmitteln.“ Ganz oben auf der Liste standen ein hoher kommerzieller Wert, Schnelligkeit und geringe Kosten. Das Gerät sollte zudem gleichzeitig stabil und empfindlich sein. Testkits, die derzeit für Glutentests erhältlich sind, stützen sich hauptsächlich auf enzymverbundene Immun-Sorptions-Versuche (enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA), die mithilfe von Enzymen und Antikörpern funktionieren.

Glutenfreie Ernährung auf der Speisekarte

Durch Finanzmittel aus den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen entwickelte das Projekt eine elektrochemische Methode zur Erkennung des Glutenmoleküls. Mit der Expertise in Elektrochemie der Marie-Curie-Stipendiatin Zofia Iskierk und Bossis Erfahrung im Bereich Materialbestimmung wurde die glutenselektive Bestimmungseinheit mit der Technologie für molekular geprägte Polymere (MIP) erstellt. Um molekular geprägte Polymere anzuwenden, nahmen die Forschenden molekulare Abdrücke der Zieleinheit, eines Glutenepitops (eines kleinen, unverkennbaren Teils des Glutenproteins), und stellten so das Polymer zur Glutenbestimmung her. Dieses selektive Material verhält sich bei der Erkennung von Glutenmolekülen ähnlich wie Antikörper. Molekular geprägte Polymere können jedoch wesentlich kostengünstiger hergestellt werden. Außerdem sind sie stabil, länger haltbar und können sterilisiert werden. Die Forschung wurde in den folgenden Schritten durchgeführt: GEMS entwickelte ein Protokoll für die einzigartige Erkennung von Glutenepitopen und eine Methode zur Ermittlung des am besten geeigneten Monomers. Für die Elektroden gibt es ein Syntheseprotokoll für dünne MIP-Filme und ein Charakterisierungsprofil der physischen Erscheinung der MIP-Elektroden. Außerdem wurde die funktionelle Charakterisierung der Selektivität und Empfindlichkeit des MIP-Chemosensors ausgewertet. Herausforderungen und Fortschritte wechseln sich ab „Die unerwartete Herausforderung des GEMS-Projekts kam mit der echten Probenahme auf“, berichtet Bossi. „Der Umgang mit Nahrungsmitteln auf eine analytische Weise kann die Forschung vor viele Hürden stellen. Für das Testen vieler verschiedener glutenhaltiger Lebensmittel ist die Analyse verschiedenster Materialien hinsichtlich Zusammensetzung und physikalischen Zustands notwendig – von der Pizza bis zur Suppe, die mit Weizenmehl angedickt ist.“ Die unerwartete Schlüsselfrage war daher: Wie sollten die Lebensmittelproben vor der Bestimmung des Glutengehalts durch den Glutensensor behandelt werden? Bei der Auswertung der Leistung des Sensors testeten die Forschenden sowohl ganze Glutenproteine als auch Glutenextrakte von Grieß, Reis und Molke. Zum Vergleich wurden im Handel erhältliche ELISA-Glutenkits verwendet. „Die bisherigen Ergebnisse mit dem Glutensensor sind ermutigend“, schließt Bossi. „Neben der Festsetzung der Verfahren, die vor der Analyse notwendig sind, sind weitere Studien über die Beeinträchtigung des Sensors durch die molekularen Bindungen in Lebensmitteln und deren Einfluss auf die Messungen erforderlich.“ Die Forschungsgruppe schätzt, dass die Umsetzung bis zum tragbaren, patientennahen Pilotgerät noch zwei Jahre dauern wird.

Schlüsselbegriffe

GEMS, Gluten, Lebensmittel, Sensor, Epitop, molekular geprägtes Polymer (MIP)

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