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Nanostructured molecular decoders for the quantitative, multiplexed, layer-by-layer detection of disease-associated proteins

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Nanosystem erweitert Spektrum an Fluoreszenzfarbstoffen für diagnostische Biomarker

Biomarker geben Aufschluss über die Remission oder den Fortschritt einer Erkrankung und können damit entscheidend zur Behandlungsoptimierung beitragen. Für genauere Analysen soll das bislang geringe Spektrum an Fluoreszenzfarbstoffen für Biomarker nun erweitert werden.

Gesundheit

Bildgebende Verfahren, mit denen der Krankheitsfortschritt in menschlichen Zellen oder Geweben analysiert wird, arbeiten meist mit spezifischen Biomarkern. Allerdings können nur wenige Biomarker gleichzeitig sichtbar gemacht werden, da das Farbspektrum bei Fluoreszenzfarbstoffen noch begrenzt ist. EU-finanzierte Wissenschaftler entwickelten unter dem multidisziplinären Projekt Immuno-NanoDecoder ein molekulares Nanosystem, mit dem mehr Biomarker in schneller Abfolge fluoreszieren und so die Diagnose und Erkennung von Krankheiten verbessern können. „Wir brauchen ein Instrument, das mehr Proteine sichtbar machen kann, ohne dass Fluoreszenzbildgebungsmethoden grundsätzlich neu konzipiert werden müssen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Matteo Castronovo, Dozent für Biochemie an der School of Food Science and Nutrition der Universität Leeds, England. „Normalerweise können vier bis sechs Farben gleichzeitig fluoreszieren. Das Multiplexing ist also eher begrenzt. Oftmals kann bei weniger als vier Analyten oder Einzelbiomarkern auch kein zuverlässiger Rückschluss auf den [ursächlichen] biologischen Prozess gezogen werden.“ Bei der Immunfluoreszenzbildgebung werden Proteinbiomarker mithilfe von Antikörpern gefärbt, also natürlichen Molekülen, die eine hohe Affinität für ein bestimmtes Protein besitzen. Das Projektteam entwickelte nun spezifische Nanosysteme („Nanoencoder“), die an Antikörper gebunden sind und ein bestimmtes Partner-Nanosystem („Nanodecoder“) am entsprechenden Farbstoff erkennen. Durch diese Kopplung kann der Nanodecoder konkrete Biomarker und deren Verteilung in Zellen und Geweben aufgrund ihrer Fluoreszenz detektieren. „Sobald die erste Aufnahme mit dem optischen Fluoreszenzmikroskop fertig ist, wird der Decoder vom jeweiligen Encoder dissoziiert und der nächste Decoder in die Lösung eingebracht. So wird ein weiterer Encoder in jedem neuen Durchlauf eingefärbt. Man arbeitet also mit derselben Farbe, die aber jedes Mal etwas anderes anzeigt“, sagt Dr. Castronovo. Auf diese Weise lässt sich das begrenzte Farbspektrum bei einer Verwendung wesentlich erweitern. Umkehrbares System „Die Technologie ist zwar ein Prototyp, aber zuverlässig und sogar umkehrbar, denn der Antikörper kann quasi ein- und ausschaltet werden“, erklärt er. Bei anderen Verfahren zur Mehrfachfärbung von Biomarkern mit modifizierten Antikörpern wurden diese Antikörper bislang chemisch zerstört. „Mit jedem Bildgebungszyklus verlieren sie ihre Leuchtkraft und man muss erneut einfärben. Der große Vorteil unserer Methode ist, dass die Fluoreszenz ein- und ausgeschaltet werden kann und man immer wieder zum ersten Protein zurückkehren kann“, sagt Dr. Castronovo. In den letzten Jahren wurden viele innovative Bildgebungstechnologien entwickelt, das Instrumentarium dafür muss aber immer neu entwickelt oder aufgerüstet werden, was wiederum die medizinischen Kosten und die Laborkosten erhöht. Diese Technologie arbeitet mit herkömmlichen optischen Mikroskopen. „Es ist nur ein molekularer Trick, denn der Effekt wird auf andere Weise erzielt“, sagt Dr. Castronovo. Disziplinübergreifender Ansatz Die große Herausforderung für das Projekt, das über das Marie-Skłodowska-Curie-Programm unterstützt wurde, war sein interdisziplinärer Ansatz. „Wir schulten Biologen für die nanowissenschaftliche Forschung, Nanowissenschaftler auf dem Gebiet der Molekularbiologie und Informatiker für die Laborarbeit. Versuchsleitern brachten wir wiederum die Arbeit der Informatiker und deren Vorteile für ihre eigene Arbeit näher“, sagt Dr. Castronovo. „Wir konnten das Potenzial der Technologie erschließen, indem wir grundlegende biochemische Vorgänge dieser molekularen Objekte analysierten. Zudem entwickelten wir eine Methode zum Ein- und Ausschalten von Fluoreszenz und analysierten die minimale Struktur – kleiner geht es nicht. Nun müssen wir noch die Bildgebungsbedingungen optimieren und die Technologie an verschiedenen biologischen Proben testen“, so Dr. Castronovo abschließend.

Schlüsselbegriffe

Immuno-NanoDecoder, Nanosystem, Bildgebung, Biomarker, Immunfluoreszenz, Fluoreszenz, Zellen, Gewebe, Antikörper, Protein

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20 September 2021