Kokain-Schnüffler zum Mitnehmen

Schwangerschaftstests sind wohl das beste Beispiel für leicht bedienbare Diagnostika: Die Testperson benetzt ein Teststäbchen mit Urin und innerhalb weniger Minuten weiß sie bereits, ob sie ein Kind erwartet. Forscher an der University of California in Santa Barbara (UCSB) wollen ähnlich einfache Testkits nun für zahlreiche andere Anwendungsfälle entwickeln – von der HIV-Infektion bis zur Drogenkonzentration.

Der Biochemiker Kevin Plaxco und seine Kollegen an der UCSB haben Sensoren entwickelt, die spezifische DNS-Sequenzen mit handelsüblicher Technik kombinieren. Zuvor hatten sie bereits Geräte hergestellt, die Proteine und DNS-Teile aufspüren konnten, die zu einer Virusinfektion gehören. Ihr jüngster Erfolg: Ein Sensor, der Kokain im Blut erkennen kann. Die Arbeit (An Electronic, Aptamer-Based Small-Molecule Sensor for the Rapid, Label-Free Detection of Cocaine in Adulterated Samples and Biological Fluids) wurde im vergangenen Monat im Wissenschaftsblatt "Journal of the American Chemical Society" veröffentlicht.

Forscher suchen schon seit langem nach einem Weg, billige und leicht bedienbare Detektor-Kits herzustellen – bislang allerdings nur mit eingeschränktem Erfolg. DNS-Sensoren, die andere DNS-Segmente erkennen können, lassen sich zwar recht einfach herstellen. "Schwerer wird es jedoch, wenn ein DNS-Sensor auch noch die Präsenz von Proteinen nachweisen soll", sagt Paula Hammond, Chemieingenieurin am MIT. Die Erkennung kleiner Moleküle sei ebenfalls schwierig, weil dazu normalerweise erst eine Reaktion mit anderen Stoffen abgewartet werden müsse.

"Diese Arbeit öffnet einer neuen Generation von Biosensoren Tür und Tor, mit denen sich eine große Anzahl an Proteinen, Viren, Nucleinsäuren und kleinen Molekülen schnell und einfach erkennen lassen werden. Dazu gehören Stoffe wie Kokain, die bislang nur schwer auffindbar waren", meint Ciara O'Sullivan, Forschungsprofessorin an der Universitat Rovira i Virgili im spanischen Tarragona.

Den USCB-Forschern zufolge hat ihr Design im Vergleich zu anderen auf dem Markt befindlichen Detektoren zahlreiche Vorteile. Zusätzliche Reagenzien sind nicht mehr notwendig, was die Verwendung vereinfacht – andere Sensoren nutzen zwar ähnliche Erkennungsmoleküle, benötigen aber zusätzliche Chemikalien und schwer zu transportierende optische Ableser, um einen Stoff zu erkennen. "Unser Gerät würde in eine Handfläche passen", so Plaxco. Der Detektor könne sich zudem leicht für eine große Anzahl an Substanzen modifizieren lassen. Dazu müsse nur die Erkenner-DNS ausgetauscht werden.

Die Sensoren bestehen aus Gold-Elektroden, die von spezifischen DNS-Strängen bedeckt sind. Sobald ein Zielmolekül, etwa Kokain, sich an die DNS bindet, ändert sich deren Konformation. Diese Veränderung erhöht die Stromstärke, die durch die Elektrode fließt. Daraus ergibt sich wiederum ein messbares elektronisches Signal, das dann von dem Gerät ausgelesen werden kann. Die Größe der Stromstärkenveränderung zeigt die Konzentration der Substanz an – die Teilezahl der DNS-Moleküle, die ihre Konformation ändern, ist proportional zur Anzahl der Kokainmoleküle in der Probe.

Plaxcos Detektor kann außerdem auch mit kontaminierten Proben arbeiten, was bei Biosensoren eher selten vorkommt. Die meisten Erkennungssysteme benötigen eine reine Probe. Um aber auch außerhalb steriler Laborbedingungen zu funktionieren, muss die Technik auch verunreinigtes Material erkennen können. In einer demnächst zur Veröffentlichung anstehenden weiteren Studie zeigt das Team um Plaxco, dass ein DNS-Sensor die gewünschte DNS-Sequenz sogar in Blutserum oder Schlamm erkennen kann. "Unsere Sensoren sind immun gegen Kontamination", so Plaxco, "wir können Schmutz vom Boden nehmen und DNS dazu geben – der Sensor arbeitet immer noch."

Jon Faiz Kayyem, Mitbegründer der Biotech-Firma Clinical Micro Sensors, die inzwischen zu Motorola gehört, sieht ein großes Potenzial in Plaxcos Technik. Sie lasse sich breit anwenden, weil sie billig herzustellen und einfach zu nutzen sei. "Seit Jahren hören wir von fantastischen Forschungsergebnissen, bei denen Wissenschaftler beispielsweise ein einzelnes Milzbranderreger-Molekül in einer luftgefüllten Lunge erkennen konnten. Doch diese Technik wird immer noch nicht unter Realbedingungen verwendet. Die meisten dieser Ansätze interessieren sich nicht für diejenigen, die die Tests durchführen, bezahlen und herstellen müssen."

Die Flexibilität der Technik sei ebenfalls wichtig: "Es gibt zahlreiche Einzeltests für Proteine und kleine Moleküle, die auf dem Molekulargewicht oder der Bindungsfähigkeit basieren", so Kayyem. "Es gab jedoch bislang noch keinen Einzelsensor für kleine Moleküle und Proteine, mit dem man die verschiedensten Dinge testen konnte. Ein solches Gerät würde die Effizienz deutlich steigern – ein Gerät für nahezu alle Anwendungen."

Einer der Hauptanwendungsbereiche für Plaxcos Detektor sieht dieser in der Messung von Wirkstoffen (oder Drogen) im Blut von Patienten. Diese Information könnte Ärzten dann ermitteln helfen, ob hier eine Überdosierung vorliegt. So ließe sich außerdem überwachen, ob ein verschriebenes Medikament in der richtigen Konzentration im Körper vorliegt.

Einige Probleme müssen allerdings noch gelöst werden, bevor die Tests im klinischen Einsatz verwendet werden können. "Diese Arbeit ist ein klarer Schritt nach vorn. Die Erkennungstechnik muss aber noch so verfeinert werden, dass sich damit klinisch verwendbare Erkennungsgrenzen erreichen lassen", meint Aimee Rose, Spezialistin für organisch-chemische Sensoren bei der US-Sicherheitstechnikfirma Nomadics. Derzeit kann das Plaxco-Gerät Kokain in Blut oder Speichel bis ins Mikromolar-Niveau erkennen. Für Routine-Drogentests müssten aber auch picomolare Konzentrationen erkannt werden können, die eine Million Mal stärker gelöst sind.

Rose kann nur darüber spekulieren, wie schwer es wird, die Technik derart empfindlicher zu gestalten. Kayyem von Clinical Micro Sensors glaubt aber, dass es diverse Tricks geben könne, die Technik zu verfeinern: "Das ist keine undurchdringliche Barriere".

Die Empfindlichkeit des Detektors wirkt sich auch auf mögliche Anwendungen aus. Plaxcos Team hat DNS-Sensoren entwickelt, die Viren-DNS im Blutkreislauf erkennen können. Derzeit kann das Gerät Viren aufspüren, wenn sie in einer Konzentration von mindestens 60 Millionen DNS-Molekülen pro Milliliter vorkommen. Das sind ungefähr vier Zehnerpotenzen zu wenig, um eine HIV-Infektion klinisch zu erkennen, so Plaxco.

Das Forscherteam arbeitet nun an einem Sensor, der Proteine erkennen kann, die für bestimmte Krebsarten stehen. Proteine könnten ein besseres Erkennungsgebiet sein, weil diese bereits jetzt in klinisch relevanten Mengen erkannt werden könnten, so Plaxco.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)