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Beschleunigermassenspektrometrie

Medikamentenentwicklung mithilfe der Beschleunigermassenspektrometrie

26.06.2008 | Redakteur: Olaf Spörkel

Das Biomicadas-System ist ein Beschleunigermassenspektrometer, der einfach in der Anwendung ist und sich speziell für die Spurenanalytik in der biomedizinischen Forschung eignet.
Das Biomicadas-System ist ein Beschleunigermassenspektrometer, der einfach in der Anwendung ist und sich speziell für die Spurenanalytik in der biomedizinischen Forschung eignet.

Das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villingen hat ein neues Radiokohlenstoff-basiertes Verfahren entwickelt, mit dem sich die Wege pharmakologischer Wirkstoffe im Organismus verfolgen lassen und eine signifikant vereinfachte Suche nach neuen Medikamenten ermöglicht. LaborPraxis sprach mit Dr. Hans-Arno Synal, dem Leiter des Fachverbands Massenspektrometrie am PSI/ETH Institut für Ionenstrahlphysik in Zürich über die Vorteile und neuen Möglichkeiten des Beschleunigermassenspektrometrie-Systems.

LaborPraxis: Auf welchem Messprinzip basiert das neue BioMICADAS-System?

Dr. Synal: Das Biomicadas-System ist ein Beschleunigermassenspektrometer, das im internationalen Sprachgebrauch als Accelerator Mass Spectrometer (AMS) bezeichnet wird. Mit diesen Spektrometern sind besonders empfindliche Analysen von langlebigen Radionukliden möglich. Das bedeutendste dieser Radionuklide ist der Radiokohlenstoff (14C), der sich mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren besonders gut zur Datierung organischer Proben eignet. Radiokohlenstoff wird allerdings auch als künstlicher Spurenstoff (Tracer) in der pharmazeutischen Forschung oder in der Biomedizin eingesetzt. Für diesen Zweck wurde die Biomicadas-Anlage konzipiert. Die typische Empfindlichkeit eines AMS-Systems ermöglicht den Nachweis von einem 14C Atom in einer Probe, die 1015 12C Atome enthält. Bildlich gesprochen bedeutet dies, dass man mit einen solchen Instrument ein rotes Sandkorn der Korngröße 0.2 Millimeter in einen Sandhaufen aufspüren kann, der ein Volumen von acht Millionen Kubikmeter hat.

LaborPraxis: Wie unterscheidet sich das Gerät von den klassischen Radiokohlenstoff-basierten Verfahren?

Dr. Synal: Die konventionellen Verfahren zum Nachweis von Radiokohlenstoff nutzen den radioaktiven Zerfall von 14C aus. Mithilfe von Detektoren werden die beim Zerfall entstehenden energetischen Zerfallprodukte nachgewiesen. Da 14C eine sehr lange Halbwertszeit hat, benötigt man große Probenmengen und lange Analysezeiten.

Mit einem AMS-System wird das Probenmaterial in seine atomaren Bestandteile 12C, 13C und 14C zerlegt. Der Nachweis dieser Bestandteile ist mit massenspektrometrischen Methoden wesentlich effizienter, als das Warten auf ein Zerfallsereignis der 14C Atome. Bisher waren diese Analysen jedoch extrem aufwändig. So basierten die ersten AMS-Systeme noch auf Teilchenbeschleunigern, die ursprünglich für die kernphysikalische Grundlagenforschung konzipiert waren und riesige Experimentierhallen benötigten.

Das Biomicadas-System dagegen kann mit einer Beschleunigerstufe arbeiten, die nur noch etwa ein Meter lang ist, was den Aufbau eines Instrumentes mit den Ausmaßen von etwa 2.5 x 3 Quadratmetern ermöglicht.

LaborPraxis: Wo liegen die Vorteile?

Dr. Synal: Das neue Gerät ist speziell auf die Bedürfnisse der biomedizinischen Forschung optimiert worden. Insbesondere ermöglicht es mit 20 000 bis 25 000 Analysen pro Jahr einen hohen Probendurchsatz. Es ist vergleichsweise einfach zu bedienen und kann in einer üblichen Laborumgebung eingesetzt werden.

LaborPraxis: Wie verläuft die typische Analyse einer Probe mit dem Biomicadas-Beschleunigermassenspektrometer?

Dr. Synal: Zunächst werden die zu analysierenden Proben (man benötigt etwa ein Milligramm Kohlenstoff) nach einem Reinigungsprozess in Graphit umgewandelt. Dieses Pulver wird in Kathoden gepresst, die in Chargen von 23 über eine Vakuumschleuse in die Ionenquelle gebracht werden. Dort erfolgt die Atomisierung des Materials durch Beschuss mit Cs-Ionen. Die entstehenden negativen Kohlenstoffionen werden extrahiert und in einem mehrstufigen Massenspektrometer analysiert. Molekulare Ionen mit der gleichen Masse wie 14C Ionen werden im Beschleunigerteil der Anlage zerstört und die entstehenden Fragmente in einem speziellen Massenfilter von den 14C-Ionen getrennt. Dadurch wird die extreme Empfindlichkeit des Verfahrens erreicht. Die Analysen werden mehrfach wiederholt und mit den Ergebnissen von Standard-Referenzmaterialien verglichen. Dies gewährleistet die hohe Genauigkeit des Analyseverfahrens. Die Analyse einer einzelnen Probe dauert insgesamt etwa fünf Minuten.

LaborPraxis: Welche weiteren Anwendungsbereiche sind neben der Suche nach neuen Medikamenten geplant oder vorstellbar?

Dr. Synal: Die Methode wird heute schon für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Bekannt sind sicherlich die Datierungen von kulturellen oder kunsthistorischen Objekten wie die Öztaler Gletscherleiche oder das Turiner Grabtuch. Bisher waren diese Analysen allerdings aufwändig. Mit dem Einsatz unserer neuen Technologie lassen sich sicherlich weitere Felder erschließen, insbesondere, weil mit dem Biomicadas-System die direkte Analyse von Kohlendioxid-Gasproben möglich ist, und man den direkten Zugang zu Kleinstproben (weniger als 50 Mikrogramm) bekommt.

LaborPraxis: Wann wird die Gerätelösung kommerziell erhältlich sein und für Routineanalysen zur Verfügung stehen?

Dr. Synal: Wir als Forschungsinstitut können natürlich nicht in eine Produktion von solchen Anlagen auf kommerzieller Basis einsteigen. Deshalb haben wir dieses Projekt im Rahmen einer Forschungskollaboration mit einem industriellen Partner aus den USA realisiert, der die neue Anlage ab Juli 2008 kommerziell einsetzen wird. Eine Weiterentwicklung der Technologie, um sie auch für hochpräzise Datierungsmessungen einsetzen zu können, erfolgt derzeit hier im PSI/ETH-Labor für Ionenstrahlphysik in Kooperation mit einem externen Partner. Die Möglichkeit, die Instrumente im Rahmen einer unabhängigen ETH/PSI Spin-off Firma kommerziell herzustellen, ist in Planung. Wann diese Instrumente kommerziell verfügbar sein werden, hängt vom Bedarf ab.

Die Suche nach Medikamenten

Häufig scheitern Wirkstoffe in klinischen Studien, weil beim Abbau toxische Substanzen entstehen oder der Körper den Wirkstoff nur unzureichend aufnimmt. Bevor Medikamente zugelassen werden, müssen Forscher daher die Ab- und Umbauwege neuer potenzieller Wirkstoffe möglichst frühzeitig im Körper analysieren.

Radiokohlenstoff wird eingesetzt, um die Wege von Wirkstoffen im Körper zu verfolgen. Daraus können Medikamententwickler wichtige Informationen gewinnen. Für den Nachweis von Radiokohlenstoff sind allerdings komplexe Beschleunigeranlagen erforderlich. Herkömmliche Anlagen, von denen es weltweit weniger als 100 gibt, haben etwa die Größe eines kleinen Hauses. Entsprechend teuer war bis jetzt diese 14C-Analyse.

Das könnte sich jetzt ändern.

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