Lichtgesteuerte Bioassays könnten Krankheiten einfacher und kostengünstiger diagnostizieren

Vom Klettverschluss bis zur Solarzelle: Viele technologische Innovationen sind von der Natur inspiriert. Auch in der medizinischen Diagnostik lassen sich Forscher von biologischen Prinzipien inspirieren. Ein Forschungsteam der Universität Freiburg und des INM – Leibniz-Instituts für Neue Materialien in Saarbrücken hat Testverfahren entwickelt, bei denen einfache LEDs komplexe mechanische Pumpen ersetzen könnten. Diese OptoAssays ahmen nicht nur das Verhalten biologischer Zellen nach, sondern nutzen auch deren genetische Programmierung.

Ein SARS-CoV-2-Schnelltest zeigt an, ob in der Probenflüssigkeit, dem Reagenz, ein bestimmtes Eiweiß des Coronavirus vorhanden ist oder nicht. Ähnlich funktioniert auch ein Schwangerschaftstest. Hier sorgt die Anwesenheit des Hormons hCG für eine Verfärbung der Testlinie.

In beiden Fällen wird ein Lateral-Flow-Test verwendet, ein Test, bei dem der seitliche Fluss des Reagenzes zur Anzeige eines Ergebnisses führt. Diese einzige, unidirektionale Bewegung der Flüssigkeit auf dem Papier wird ausschließlich durch Kapillarkräfte erzeugt, ohne mechanische oder elektrische Unterstützung.

Für komplexere Tests ist diese Nachweismethode nicht geeignet. Hier werden Assays benötigt, die eine bidirektionale Steuerung der Flüssigkeiten, also den Transport in und aus dem Testsystem, ermöglichen. Leider sind diese mehrstufigen Assays auf teure und verschleißanfällige Pumpen angewiesen.

Diese Pumpen spülen die ungebundenen Moleküle wiederholt aus dem System und stellen so sicher, dass nur die zu erkennenden Partikel an den Detektionsantikörpern haften bleiben.

Forscher der Universität Freiburg und des INM haben eine Lösung gefunden, um komplexe Testdesigns zu ermöglichen, ohne dass teure und sperrige Geräte erforderlich sind. In einem Artikel veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschrittestellen sie biologische Tests vor, bei denen teure und komplexe mechanische Pumpen durch einfache und kostengünstige Leuchtdioden (LEDs) ersetzt wurden.

Diese OptoAssays ermöglichen die bidirektionale, lichtinduzierte Bewegung von Biomolekülen und das Ablesen der Testergebnisse ohne die Notwendigkeit zusätzlicher mechanischer Waschschritte.

Ein OptoAssay verwendet einen Sender- und einen Empfängerbereich, die durch Zugabe des Testreagenzes in Kontakt gebracht werden. Im Senderbereich befindet sich ein spezielles Protein, das auf Licht reagiert. Dieses Protein kann je nach Art des eingefangenen Lichts bestimmte Moleküle entweder binden oder freisetzen.

Wenn eine LED rotes Licht mit einer Wellenlänge von 660 Nanometern aussendet, binden die Moleküle an das Protein. Beim Umschalten auf dunkelrotes Licht mit einer Wellenlänge von 740 Nanometern lösen sich die Moleküle vom Protein. Im Empfängerbereich befinden sich Antikörper, die speziell dafür entwickelt wurden, das Zielprotein im Testreagenz zu erkennen und einzufangen.

Die Forscher ließen sich bei dieser Methode von der Natur inspirieren, insbesondere davon, wie Pflanzen auf Licht reagieren. Jede Zelle hat einen Zellkern, in dem ihr genetischer Code gespeichert ist. Die DNA enthält das „Programm“ der Zelle, das ihr sagt, was sie tun soll. Um dieses Programm zu aktivieren oder zu deaktivieren, müssen bestimmte Proteine ​​in den Zellkern hinein und aus ihm heraus wandern.

Prof. Wilfried Weber, Synthetischer Biologe und Wissenschaftlicher Direktor des INM, erklärt den Mechanismus: „Im Zytoplasma, also in der Umgebung des Zellkerns, sitzt ein Fotorezeptor, der sich durch Licht steuern lässt. Erhält er rotes Licht, wird er aktiviert und bindet an ein Bindeprotein.“

„Dieses Bindeprotein transportiert dann den Fotorezeptor mit sich in den Zellkern und kann dort beispielsweise ein Wachstumsprogramm auslösen. Schaltet die Wellenlänge des Lichts in den fernen Rotbereich um, wird diese Bindung wieder unterbrochen.“

Der Bezug zur Natur besteht jedoch nicht nur durch die Methode selbst. Auch die Photorezeptoren im OptoAssay, die die Reagenzien freigeben, bestehen – im Gegensatz zu den üblicherweise im OptoAssay verwendeten Pumpen – aus natürlichen Materialien.

Gene, die die Informationen für den Photorezeptor in Pflanzenzellen enthalten, werden aus der Pflanze extrahiert und in Bakterien eingebracht. Diese Bakterien produzieren dann den Photorezeptor und das Bindungsprotein, die im OptoAssay verwendet werden. Dadurch werden die ursprünglich mechanischen Komponenten durch natürlich nachhaltige Materialien ersetzt.

Die Forscher sehen großes Potenzial für den Einsatz von OptoAssays in der Point-of-Care-Diagnostik, also außerhalb des Labors, ähnlich wie Lateral-Flow-Assays.

Dr. Can Dincer von der Universität Freiburg erklärt: „OptoAssays lassen sich bequem über Smartphones steuern und auslesen und könnten in Zukunft externe Durchflusskontrollsysteme wie Pumpen und Signallesegeräte überflüssig machen. Damit ebnen sie den Weg für neue Diagnosewerkzeuge, die kostengünstige und unkomplizierte Analysen direkt vor Ort ermöglichen, auch in ressourcenbeschränkten Umgebungen.“