Schnelles Biomonitoring auf 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 ist dann semiautomatisch in den Kompartimenten möglich (Abb. 1).

Im Rahmen der Forschungsarbeiten konnte die technische Realisierbarkeit aller Einzelschritte demonstriert werden. Bei den Lösungsansätzen für einzelne Detail¬probleme wurden neuartige molekularbiologische Methoden (SELEX) und PDMS-Chip-Technik an den Forschungs¬stellen etabliert. Dabei erfolgte die Entwicklung eines leicht zu bedienenden Detektionssystems als Labormuster. 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 Funktio¬nalität. Ganze Zellen als Targets für die Selektion zu verwen¬den ist jedoch schwierig. Zwar bieten Bakterien auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl potentieller Target¬trukturen. 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 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 der Magnetbead-Zielzellen-Mikrokapsel-Komplexe im Chip (Glas, PDMS) und alternativ dazu mit einer Zwei-Fluid-Sonde (ZFT) erfolgreich durchgeführt werden. Damit kann eine gleichmäßige Verteilung eines Magnetbead-Zielzellen-Mikrokapsel-Komplexes in jeweils einem Kompartiment erzielt werden.
Durch die Entwicklung der automatisierten mikroskopischen und spektroskopischen Detektions¬plattform 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 das Gerät variabel und schnell eingesetzt werden. Es dient als Entwicklungsgrundlage für einen Prototyp, der in verschiedenen Bereichen (Lebensmittel, Pharmazie) Anwendung finden kann.
Aus heutiger Sicht scheint mit dem Nachweissystem eine Verkürzung der Detektionszeiten auf einen Arbeitstag möglich. Dies haben die Untersuchungen der einzelnen Verfahrensschritte gezeigt, auch wenn eine zusammenhängende Testung des Gesamtverfahrens an realen Proben aus Zeitgründen noch offen bleiben muss. So kann erst nach Validierung der neu entwickelten Methode endgültig beurteilt werden, ob damit ein wesentlicher Beitrag in Richtung einer produktions- und produktnahen Qualitätskontrolle und –sicherung erfolgt ist.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 01.05.2006 bis 31.12.2008 von der Technischen Universität Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik (Bergstraße 120, 01069 Dresden, Tel.: 0351/4633-4337) unter der Leitung von PD Dr. E. Boschke 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. Das Projekt wurde aus den Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF) gefördert.
Weitere Informationen zu diesem Projekt entnehmen Sie bitte der Kurzform des Abschlussberichtes. Den ausführlichen Abschlussbericht erhalten Sie jederzeit bei der Technischen Informationsbibliothek (TIB), Welfengarten 1 B, 30167 Hannover.

Kooperationspartner:

• IBA Heiligenstadt

• DECHEMA
• Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V.

Projektfinanzierung:

BMWi über AIF/ZUTECH

Projektbearbeitung und Kontakt:

Boschke, Bley