Montrealer Chemiker entwickeln schnellen DNA-basierten Sensor zur Überwachung von Drogen.

Montrealer Chemiker entwickeln schnellen DNA-basierten Sensor zur Überwachung von Drogen.

Chemiker an der Université de Montréal haben „Signal-Cascades“ aus DNA-Molekülen entwickelt, um die Konzentration verschiedener Moleküle in einem Blutstropfen zu melden und zu quantifizieren, und das alles innerhalb von 5 Minuten. Ihre Ergebnisse, die durch Experimente an Mäusen validiert wurden, wurden heute im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und könnten dazu beitragen, tragbare Geräte zur Überwachung und Optimierung der Behandlung verschiedener Krankheiten zu entwickeln.

Dieser Durchbruch wurde von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von UdeM-Chemieprofessor Alexis Vallée-Bélisle erzielt. „Ein entscheidender Faktor für den Erfolg verschiedener Behandlungen ist die Bereitstellung und Aufrechterhaltung einer therapeutischen Medikamentendosierung während der gesamten Therapie“, sagte er. „Eine suboptimale therapeutische Exposition verringert die Wirksamkeit und führt typischerweise zu Arzneimittelresistenzen, während eine Überexposition die Nebenwirkungen erhöht.“

Die Aufrechterhaltung der richtigen Konzentration von Medikamenten im Blut bleibt jedoch eine große Herausforderung in der modernen Medizin. Da jeder Patient ein unterschiedliches pharmakokinetisches Profil hat, variiert die Konzentration der Medikamente in seinem Blut erheblich. Bei Chemotherapien erhalten beispielsweise viele Krebspatienten nicht die optimale Dosierung von Medikamenten, und derzeit sind nur wenige Tests schnell genug, um dieses Problem zu erkennen.

„Einfach durchzuführende Tests könnten die Überwachung von therapeutischen Medikamenten weit verbreiten und personalisierte Behandlungen ermöglichen„, sagte Vincent De Guire, ein klinischer Biochemiker am UdeM-verbundenen Maisonneuve-Rosemont Hospital und Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Laborfehler und Patientensicherheit der Internationalen Föderation für klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin.

„Eine vernetzte Lösung, ähnlich einem Blutzuckermessgerät in Bezug auf Tragbarkeit, Erschwinglichkeit und Genauigkeit, die die Medikamentenkonzentrationen zur richtigen Zeit misst und die Ergebnisse direkt an das Gesundheitsteam überträgt, würde sicherstellen, dass die Patienten die optimale Dosis erhalten, die ihre Chancen auf Genesung maximiert„, sagte De Guire in einer unabhängigen Bewertung der Studie.

Wie es geschah

Inhaber eines Canada Research Chair in Bioengineering und Bio-Nanotechnologie hat Vallée-Bélisle viele Jahre damit verbracht, zu erforschen, wie biologische Systeme die Konzentration von Molekülen in ihrer Umgebung in Echtzeit überwachen.

Der Durchbruch dieser neuen Technologie kam durch die Beobachtung, wie Zellen die Konzentration von Molekülen in ihrer Umgebung erkennen und quantifizieren.

„Zellen haben nanoskalige ‚Signal-Cascades‘ entwickelt, die aus Biomolekülen bestehen und zur Interaktion programmiert sind, um spezifische zelluläre Aktivitäten in Anwesenheit spezifischer Mengen externer Stimuli oder Moleküle zu aktivieren„, sagte die erste Autorin der Studie, Guichi Zhu, eine Postdoktorandin an der UdeM.

„Inspiriert von der Modularität der Signalsysteme der Natur und von der Leichtigkeit, mit der sie sich weiterentwickeln können, um neuartige molekulare Ziele zu erkennen, haben wir ähnliche DNA-basierte Signal-Cascades entwickelt, die spezifische Moleküle durch die Erzeugung eines leicht messbaren elektrochemischen Signals erkennen und quantifizieren können„, sagte sie.

Das Prinzip dieser Sensoren ist einfach: Das zu überwachende molekulare Ziel oder Medikament (in der Abbildung oben grün dargestellt) kann mit einem spezifischen DNA-Molekül, dem sogenannten Aptamer (gelbes Molekül), interagieren. Bei der Bindung an das molekulare Ziel kann dieses „Aptamer“-DNA ein anderes elektroaktives DNA (rotes DNA) nicht mehr hemmen, das dann die Oberfläche einer Elektrode erreichen und einen elektrochemischen Strom erzeugen kann, der mit einem kostengünstigen Leser leicht nachgewiesen werden kann.

„Ein großer Vorteil dieser DNA-basierten elektrochemischen Tests ist, dass ihr Prinzip auch auf viele verschiedene Ziele generalisiert werden kann, was es uns ermöglicht, kostengünstige Geräte zu entwickeln, die viele verschiedene Moleküle in fünf Minuten im Arztbüro oder sogar zu Hause erkennen könnten„, sagte Vallée-Bélisle, dessen Team ihren neuartigen Mechanismus validiert hat, indem es vier unterschiedliche Moleküle in dieser Zeit erkannt hat.

Tests an Mäusen

Um zu veranschaulichen, wie dieser neuartige Signalisierungsmechanismus in einen einfach zu verwendenden Heimtest angepasst werden kann, mit dem Patienten ihre Chemotherapie überwachen und optimieren können, haben die Autoren auch die Echtzeitüberwachung eines Malariamittels in lebenden Mäusen demonstriert. Die derzeitigen Standardtests, die dafür eingesetzt werden, erfordern typischerweise stundenlange Verfahren und eine teure instrumentelle Ausstattung.

Dieser neuartige Signalisierungsmechanismus produziert genügend Veränderungen im elektrischen Strom, um mit kostengünstiger Elektronik gemessen zu werden, ähnlich der Technologie in den Blutzuckermessgeräten, die von Diabetikern verwendet werden, um ihren Blutzucker zu überprüfen.

„Mit diesem DNA-basierten Test konnten wir Sensoren für mehrere Blutmoleküle entwickeln, auch wenn ihre Konzentration manchmal weniger als 100.000 Mal weniger konzentriert war als Glukose„, sagte Bal-Ram Adhikari, ein weiterer Postdoktorand der UdeM, der an der Studie teilgenommen hat.

Ein Patent für diese Erfindung wurde von dem in Montreal ansässigen Unternehmen Anasens lizenziert, um ihre Kommerzialisierung zu beschleunigen.

Quellen: