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Biosensor für Phenylketonurie Point-of-care: Stoffwechselprodukte selbst messen

| Autor/ Redakteur: Elisabeth Fuhry * / Christian Lüttmann

Ein neu entwickelter Biosensor könnte in Zukunft Patienten von Stoffwechselerkrankungen wie Phenylketonurie den einen oder anderen Gang zum Arzt ersparen. Denn statt in der Praxis Blutproben analysieren zu lassen, verspricht der neue Test, die Analyse selber zu Hause durchführen zu können – lediglich mit einer Kamera, dem Sensor-Kit und einem winzigen Tropfen Blut.

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Ein Gemisch aus Blut des Patienten und Reaktionspuffer wird auf ein Papier gegeben, auf dem der Biosensor aufgetragen wurde. Die anschließende Reaktion wird über eine Kamera aufgenommen und ausgewertet.
Ein Gemisch aus Blut des Patienten und Reaktionspuffer wird auf ein Papier gegeben, auf dem der Biosensor aufgetragen wurde. Die anschließende Reaktion wird über eine Kamera aufgenommen und ausgewertet.
(Bild: MPI für medizinische Forschung)

Heidelberg, Lausanne/Schweiz – Im Körper äußern sich viele Krankheiten oder auch Verletzungen durch drastische Änderungen der Konzentration bestimmter Metaboliten im Blut. Ein erhöhtes Level der Aminosäure Phenylalanin ist zum Beispiel charakteristisch für die Erbkrankheit Phenylketonurie. Bei Kleinkindern, die an dieser Erkrankung leiden, muss der Phenylalanin-Wert im Blut durch eine strenge Diät kontrolliert werden, um irreversible Gehirnschäden zu vermeiden. Aus diesem Grund sind geeignete Methoden für die regelmäßige Messung der Phenylalanin-Konzentration im Blut unerlässlich.

Momentan müssen für diese Kontrollen Blutproben beim Arzt genommen, in ein Labor geschickt und dort analysiert werden. Es dauert meist Tage, bis ein Ergebnis vorliegt, was eine effektive Behandlung des Patienten erschwert. Ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Kai Johnsson, Direktor am Heidelberger Max-Planck-Institut, stellt jetzt eine einfache Analysemöglichkeit vor, die in Minutenschnelle die Konzentration von Metaboliten wie Phenylalanin messen kann. Die neue Methode wurde bereits durch Messungen an Patientenproben (Universitätsklinikum Heidelberg/Lausanne) validiert und stellt den Forschern zufolge einen wichtigen Fortschritt von Vor-Ort-Diagnostik bei Messungen von Metaboliten in Blutproben dar.

Lichtsignal zeigt Metabolitenkonzentration an

„Wir führen eine grundlegend neue Methode ein, um Metaboliten zur Blutanalyse zu messen“, berichtet Qiuliyang Yu, Erstautor der Veröffentlichung und Wissenschaftler in der Abteilung Chemische Biologie am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung. „Anstatt vorhandene Technologien im Bereich der Vor-Ort-Diagnostik nur in ein kleineres Format zu bringen, haben wir ein neues molekulares Werkzeug geschaffen.“

Kernstück der Methode ist ein künstliches, lichtaussendendes Protein, das als Biosensor fungiert: In Anwesenheit des reduzierten Co-Faktors NADPH (Nikotinamidadenindinukleotid) verändert es seine Farbe und zeigt so die Anwesenheit von bestimmten Metaboliten an. Denn NADPH wird in einer enzymatisch katalysierten Reaktion produziert, die für den Metaboliten spezifisch ist. So kann durch die Analyse des Farbumschwungs die Konzentration des Metaboliten ermittelt werden. Die Forscher haben bereits für Phenylalanin, Glutamat und Glukose gezeigt, dass der gleiche Sensor zur Messung verschiedener Metabolite eingesetzt werden kann, indem verschiedene enzymatisch katalysierte Reaktionen genutzt werden.

Das Smartphone als Analysetool

Der Test ist einfach durchzuführen und könnte daher auch leicht vom Patienten selbst zu Hause angewendet werden. Im Falle von Phenylalanin braucht dieser sich nur einen winzigen Tropfen Blut durch einen Stich in den Finger abnehmen. Einen kleinen Teil dieser Probe verdünnt er mit einem Reaktionspuffer und gibt die Mischung auf das Papier mit dem Biosensor. Sobald Phenylalanin in der Reaktion verbraucht wird und NADPH entsteht, ändert das Licht, das der Sensor ausstrahlt, seine Farbe von blau zu rot. Dieser Farbwechsel kann von einer einfachen Digitalkamera oder einem Smartphone aufgenommen werden.

Das Video veranschaulicht, wie der Selbsttest mit dem Biosensor funktioniert [MaxPlanckSociety]

Aus dem Verhältnis von blauem und rotem Licht kann jetzt die Konzentration des Metaboliten Phenylalanin errechnet werden. Der gesamte Prozess dauert nur ca. 10 bis 15 Minuten und kann direkt beim Patienten vor Ort durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind nach Angabe der Wissenschaftler sehr genau im Vergleich zu Messungen mit Standardmethoden in klinischen Laboren.

Diese Genauigkeit und die einfache Anwendung des Sensors sollen es Patienten zukünftig erlauben, Kontrollmessungen selbst durchzuführen. „Wir suchen nun nach Möglichkeiten, den Bluttest weiter zu automatisieren und zu vereinfachen“, sagt Yu. Er hofft, Betroffenen von Phenylketonurie oder anderen Krankheiten ein praktisches Werkzeug zur selbstständigen Kontrolle der Metaboliten-Konzentration an die Hand zu geben.

* E. Fuhry, Max-Planck-Institut für medizinische Forschung (MPIMF), 69120 Heidelberg

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