Anpassbare Immunoassays könnten die Diagnostik und Vor-Ort-Bewertungen verbessern

Wissenschaftler von Science Tokyo haben einen neuartigen anpassbaren OpenGUS-Immunoassay entwickelt, der Analyten schnell und effektiv nachweist. Mit speziell entwickelten β-Glucuronidase (GUS)-Sonden und optimierten Reaktionsbedingungen bietet diese Plattform einen problemlosen und dennoch äußerst empfindlichen Ansatz zum Nachweis relevanter Biomarker, Allergene oder anderer Biomoleküle. Dadurch werden homogene Immunoassays für die Point-of-Care-Diagnostik, Hochdurchsatztests, Umweltüberwachung und Lebensmittelsicherheitsanalysen breiter verfügbar, selbst wenn hochentwickelte Labore nicht verfügbar sind.

Immunoassays haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der analytischen Chemie entwickelt. Diese biochemische Technik nutzt die natürliche Fähigkeit von Antikörpern, an spezifische Ziele zu binden, und ermöglicht so den Nachweis und die Quantifizierung gewünschter Analyten. Obwohl Immunoassays direkt für viele wissenschaftliche Entdeckungen in Biologie und Medizin verantwortlich sind und seit langem Vorteile in der klinischen Diagnose bieten, haben sie auch Nachteile.

Heterogene Immunoassays erfordern die physikalische Trennung der an die Antikörper gebundenen von den ungebundenen Komponenten. Solche Methoden sind robust und zuverlässig, erfordern jedoch komplizierte und langwierige Verfahren, um Ergebnisse zu erhalten, was hochqualifiziertes Laborpersonal erfordert.

Andererseits erfordern homogene Immunoassays keine Trennung, da gebundene Antikörper so konzipiert sind, dass sie über Lumineszenz oder Fluoreszenz ein nachweisbares Signal abgeben. Diese Techniken sind zwar schneller und bequemer als heterogene Immunoassays, erfordern jedoch komplexe genetische Manipulations- oder Modifikationsverfahren für Antikörper und sind außerdem anfälliger für Hintergrundgeräusche.

Um diese Lücke zu schließen, haben Forscher des Institute of Science Tokyo, Japan, einen neuen Typ eines anpassbaren homogenen Immunoassays entwickelt. Das Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Tetsuya Kitaguchi schlug einen Ansatz vor, der eine praktische, vielseitige und hochwirksame Strategie zum Nachweis verschiedener Zielanalyten bietet. Die Ergebnisse dieser Studie erscheinen im Tagebuch Biosensoren und Bioelektronik.

Die Hauptelemente dieser neuen Immunoassay-Plattform sind die OpenGUS-Sonden. Bei diesen Sonden handelt es sich um künstliche Proteine, die aus zwei Z-Domänen und einem Spacer bestehen, der ein Ende der Antikörper abklemmen und fest daran binden soll, sowie aus einem β-Glucuronidase (GUS)-Monomer.

Die Antikörper werden zwischen den Z-Domänen angedockt und wenn sie an ihre Zielantigene binden, werden die GUS-Monomere in den Sonden näher zusammengebracht. Dies führt zur Bildung von GUS-Tetramer, einem aktiven Enzym, das Glucuronidsubstrate spalten kann, was das zugrunde liegende Prinzip für den Nachweis darstellt. Wenn speziell entwickelte Glucuronidmoleküle gespalten werden, senden die resultierenden Produkte ein erkennbares Fluoreszenzsignal aus oder bewirken, dass sich die Farbe der Lösung sichtbar ändert.

Eine einfache Kombination aus Antikörpern, OpenGUS-Sonden und spezifischen Substraten kann nanomolare oder sogar pikomolare Konzentrationen von Analyten nachweisen. Dies gelang den Forschern durch die Einführung strategischer Mutationen in den GUS-Monomeren zur Reduzierung der spontanen Aktivierung sowie durch die Optimierung der Zusammensetzung des verwendeten Reaktionspuffers.

„Dank unseres Optimierungsverfahrens können die Immunoassay-Ergebnisse mit einem Smartphone oder mit bloßem Auge in Situationen bestätigt werden, in denen kein Fluorometer verfügbar ist, beispielsweise im Freien, zu Hause oder in weniger ausgestatteten Labors“, bemerkt Kitaguchi.

Die Forscher validierten ihre Methode durch den Nachweis von drei repräsentativen Analyten: einem Pollenallergen der japanischen Zeder, einem menschlichen Protein-Biomarker für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, und menschlichem Lactoferrin, einem Biomarker für Entzündungen. Im Gegensatz zu anderen Immunoassay-Techniken waren keine langen Vorinkubationszeiten bei niedrigen Temperaturen und eine komplexe genetische Modifikation der Antikörper erforderlich. Diese Vorteile legen nahe, dass die vorgeschlagene Strategie zur tragenden Säule sowohl für die Forschung als auch für die Praxis werden könnte.

„Wir glauben, dass unser anpassbarer OpenGUS-Immunoassay den Weg für die schnelle Entwicklung schneller und empfindlicher homogener Immunoassay-Plattformen für Point-of-Care-Diagnostik, Hochdurchsatztests und Umweltbewertungen vor Ort ebnen wird“, schließt Kitaguchi.