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Mikrofluidik im NMR-Wirkstoffscreening Einen Monat messen – statt 20 Jahre

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Um aus einer großen Anzahl möglicher Wirkstoffkandidaten den einen „Richtigen“ herauszufiltern, müssen i.d.R. riesige Wirkstoff-Bibliotheken gescreent werden. Die NMR bietet sich als Methode an – in ihrer klassischen Form würde sie dafür jedoch Jahre benötigen. Hier kann u.a. die Mikrofluidik weiterhelfen.

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Abb. 1: Prof. Dr. Jan Gerrit Korvink, Direktor des Instituts für Mikrostrukturtechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigt sich u.a. mit der Miniaturisierung maßgeschneiderter NMR-Systeme für kleine chemische und biologische Proben.
Abb. 1: Prof. Dr. Jan Gerrit Korvink, Direktor des Instituts für Mikrostrukturtechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigt sich u.a. mit der Miniaturisierung maßgeschneiderter NMR-Systeme für kleine chemische und biologische Proben.
(Bild: © www.kit.edu)

LP: In der Arzneimittelforschung müssen große Wirkstoff-Bibliotheken möglichst effizient gescreent werden, um schnell geeignete Wirkstoffkandidaten zu identifizieren. Welche Techniken sind dafür geeignet und wo stößt man an Grenzen?

Prof. Dr. Jan Gerrit Korvink: Ein Arzneimittel wird typischerweise aus Fragmenten zusammengestellt, bei denen es sich um kleine Moleküle handelt, die auch als Liganden bezeichnet werden. Diese Liganden binden bevorzugt an mit der Krankheit assoziierte Proteine, deren Aktivität reguliert werden soll. Idealerweise sollte der anfängliche Überprüfungsschritt, ob die Liganden in der gewünschten Art agieren, auf NMR-Messungen basieren, da für jeden Liganden in der Bibliothek eine hohe Qualität der „Antworten“ aus NMR-Spektren erhalten wird. Der Vorteil von NMR besteht darin, dass sie ihre Informationen direkt aus den Atomkernen der Moleküle bezieht und dadurch die gesamte Struktur sowohl des Liganden als auch des Bindungsproteins erfasst wird. Dies ist eine sehr genaue Methode und daher sowohl in der Chemie als auch in der Pharmakologie sehr geschätzt.

Die klassische NMR ist jedoch zu langsam und würde zu einer Messzeit von 20 Jahren führen, um die etwa 1 Mio. Moleküle in einer typischen Fragmentbibliothek auszuwerten. Andere Hochdurchsatz-Analysemethoden sind häufig schneller, liefern jedoch hauptsächlich Ja-/Nein-/Vielleicht-Antworten, was zu einer Menge zusätzlicher Analysen führt, um die Nützlichkeit eines bestimmten Liganden zu ermitteln. Man könnte also sagen, dass die größte Herausforderung beim Wirkstoff-Screening das Verhältnis zwischen der für eine bestimmte Antwort benötigten Zeit und der Qualität und damit der Nützlichkeit der Antwort ist. Es geht also um eine Optimierung der Quantität der auswertbaren Moleküle bei gleichzeitig bestmöglicher Qualität des Informationsgewinns.

LP: Genau dort setzt ihr ERC-Synergieprojekt HiSCORE an ...?

Prof. Korvink: HiSCORE steht für „Highly Informative Drug Screening by Overcoming NMR-Restrictions“ oder „Hochinformative Wirkstoffüberprüfung durch Überwindung von NMR-Beschränkungen”. Wir wollen in diesem Projekt die Messempfindlichkeit der NMR-Methode drastisch erhöhen, damit wir in kürzester Zeit die erforderlichen Informationen für jedes Ligand-Protein-Paar erhalten. Auf diese Weise hoffen wir, eine Screening-Aufgabe mit 1 Mio. potenziellen Liganden von 20 Jahren Dauer auf nur etwa einen Monat zu reduzieren. Dies wäre eine immense Beschleunigung und würde es Laboratorien mit kleineren Budgets ermöglichen, auch ein NMR-basiertes Wirkstoff-Screening anzugehen.

Zunächst möchten wir aus jedem Überprüfungsschritt deutlich aussagekräftigere Informationen gewinnen, als mit bisherigen Analysemethoden üblich und möglich. In der Regel wird ein nützliches Ligandenmolekül an die richtige Position eines Proteins andocken, und wir möchten mit unseren neu entwickelten Instrumenten nicht nur die erfolgreichen Liganden ermitteln, sondern sie auch nach ihrer Affinität zur Proteinstelle und natürlich nach der Einzigartigkeit, Wirkungsweise und Effizienz der Kopplung sortieren. Da die beteiligten Moleküle komplexe Geometrien und vielfältige Fähigkeiten aufweisen, müssen zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden. Je vollständiger das Bild der Liganden-Protein-Konstellation ist, desto nützlicher sind die Informationen für den Pharmakologen, der basierend hierauf das ultimative Medikament entwickeln kann.

LP: Die verschiedenen Projektpartner arbeiten an neuen und fachübergreifenden Technologien. Welche Rolle spielt die Mikrofluidik?

Prof. Korvink: Mikrofluidik ermöglicht es, Experimente effizienter zu gestalten. Unter der Annahme, dass eine Messung nur mit einem sehr kleinen Probenvolumen wie etwa einem Tröpfchen durchgeführt werden kann, hilft die Mikrofluidik dabei, die Probenvorbereitung mit kleinem Raumbedarf und mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu organisieren. Jede Variante der Probe (z.B. jeder der 1 Mio. Liganden) kann somit auf ein winziges Tröpfchen beschränkt werden. Der zusätzliche Vorteil besteht darin, dass für die Analyse deutlich weniger Analyten benötigt werden. Das spart Geld und, vielleicht noch wichtiger, schont die Umwelt, da grundsätzlich alle Proben nach der Messung als Sondermüll anfallen. Einerseits spart man Ressourcen bei der Synthese der Proben, andererseits muss man weniger entsorgen.

LP: Herr Prof. Korvink, in Ihrem Start­up Voxalytic beschäftigen Sie sich mit dem Thema „Mikrofluidik in der NMR“. Woran arbeiten Sie hier genau und wo sehen Sie die zukünftigen Anwendungsbereiche?

Prof. Korvink: Wir haben Voxalytic gegründet, um NMR-Signale von sehr kleinen Proben detektieren zu können. Unsere Detektoren wie Liquidvoxel oder Magicvoxel können bereits NMR-Signale von nur wenigen hundert Nanolitern Probenvolumen messen. Unser Trick besteht darin, die MEMS-Technologie (MEMS = mikroskopische Systemtechnik) zu verwenden, mit der eine hochprä­zise NMR-Mikrospule produziert wird, die sehr nahe an der Probe positioniert werden kann, was die Signalempfindlichkeit drastisch verbessert. Voxalytic stellt mit Voxelprobe auch auf individuelle Kundenwünsche maßgeschneiderte NMR-Probenköpfe mit durchgehendem Mikrofluidikkanal her, über den flüssige Proben direkt die NMR-Mikrospule durchfließen. So werden Mikrofluidik-Chips direkt an die Voxelprobe angeschlossen und dann mittels NMR überwacht.

Mikrofluidisches NMR ist eine nützliche Methode zur Verfolgung und Kontrolle chemischer Reak­tionsprozesse, beispielsweise von Analyten, die aus hocheffizienten chemischen, pharmazeutischen oder biomedizinischen Milli- und Mikroreaktoren hervorgehen. In ähnlicher Weise ist das mikrofluidische NMR auch ideal zur Überwachung biotechnologischer Prozesse geeignet, an denen kleine Zellen oder Bakterien beteiligt sind.

Herr Prof. Korvink, vielen Dank für das Gespräch.

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