Neue Lösungsansätze zum schnellen Biomonitoring auf der Basis von biomagnetischer Separation und Nanotechnologie (LÖBISENA)

Im Mittelpunkt des Projektes stand die Etablierung eines neuartigen, Zeit und Kosten sparenden Systems zur Detek­tion pathogener Mikroorganismen. Dazu sind folgende Schritte nötig: biomagnetische Separation (BMS) und anschließende Markierung der Zellen mit fluoreszierenden Mikrokapseln und schließlich die Vereinzelung der Zellen. Die Detektion der Mikroorga­nis­men könnte dann semiautomatisch in den Kompartimenten erfolgen.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten konnte die technische Realisierbarkeit aller Einzelschritte demons­triert werden. Bei den Lösungsansätzen für einzelne Detailprobleme wurden neuartige molekularbiologische Methoden (SELEX) und PDMS-Chip-Technik an den Forschungs­stellen etabliert. Dabei wurde ein leicht zu bedienendes Detektionssystem als Labormuster entwickelt.

Die größten Schwierigkeiten traten bei der Gewinnung selektiv bindender Liganden zum Funktiona­lisieren der Magnetbeads bzw. Mikrokapseln auf. Mehrere Versuche zur Selektion von den im Vergleich zu Anti­kör­pern sehr kostengünstigen, selektiv bindenden Peptiden und Aptameren blieben zunächst erfolglos. Erst das Biopanning gegen Staphylococcus aureus brachte Bindepeptide mit der gewünschten Funktionalität. Ganze Zellen als Targets für die Selektion zu verwen­den ist jedoch schwierig. Zwar bieten Bakterien auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl potentieller Targetstrukturen. Jedoch stellen nicht alle zwangsläufig gute Bindestellen für die Anlagerung funktionalisierter Magnetbeads bzw. Mikrokapseln dar.

Für die angestrebte Separation und Detektion einer Zelle ist es notwendig, dass sowohl Magnetbeads als auch Mikrokapseln gleichzeitig an sie binden. Als besonders kritisch für die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit dieses Systems erweist sich die Agglomerationsneigung der verwendeten Partikel. Für ein Modellsystem wurden die Prozessparameter soweit optimiert, dass die Agglomera­tionsneigung beherrschbar scheint. Diese Optimierung muss aber jeweils für den Einzellfall erfolgen, da die eingesetzten Liganden maßgebli­chen Einfluss auf das Agglomerationsverhalten haben.

Basierend auf der Technik des segmentierten Flusses konnte die Vereinzelung des Zielzellenkomplexes im Chip (Glas, PDMS) und alternativ dazu mit einer Zwei-Fluid-Sonde (ZFT) erfolgreich durchgeführt werden. Damit kann eine gleichmäßige Verteilung eines Zielzellenkomplexes in jeweils einem Kompar­timent erzielt werden.

Durch die Entwicklung der automatisierten mikroskopischen und spektroskopischen Detektions­plattform konnte die Anwesenheit von mit Mikrokapseln markierten Zellen in einem Kompar­timent detektiert werden. Die anschließende Validierung der Detektion auf spektroskopischer Basis im Sinne einer Ja-Nein-Entscheidung diente als Qualitätskontrolle. Diese Ergebnisse wurden bei Konstruktion und Bau eines Labormusters für die spektroskopische Analyse berücksichtigt. Durch den modularen Aufbau kann dieses Gerät variabel und schnell eingesetzt werden. Es dient als Entwicklungsgrundlage für einen Prototyp, der in verschie­denen Bereichen (Lebensmittel, Pharmazie) Anwendung finden kann.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 01.05.2006 bis 31.12.2008 von der Technischen Universität Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik (01069 Dresden, Tel.: 0351/4633-4337) unter der Leitung von Dr. E. Boschke (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. Th. Bley) und dem Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.; Fachbereich Bioprozesstechnik (Rosenhof, 37308 Heilbad Heiligenstadt, Tel.: 03606/671-191 ) unter Leitung von Dr. K. Lemke (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. D. Beckmann).

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