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Julien Hiblot, Qiuliyang Yu, Marina D.B. Sabbadini, Luc Reymond, Lin Xue, Alberto Schena, Olivier Sallin, Nicholas Hill, Rudolf Griss, and Kai Johnsson, "Luciferases with tunable emission wavelengths," Angewandte Chemie, International Edition in English 56 (46), 14556-14560 (2017).

Farbenspiel nach Bedarf

Einfache Kontrolle von Medikamentendosen durch ein Luciferase-basiertes System

14. November 2017

Für die Behandlung der meisten Krankheiten müssen Medikamente sehr genau und für jeden Patienten passend eingestellt werden. Dafür sollte die Konzentration des Wirkstoffs in Patientenproben regelmäßig kontrolliert werden. Forscher des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg haben ein System für solche Messungen optimiert, das auf der farblichen Anpassung der Detektoren (Luciferasen) je nach späterer Anwendung basiert. Dadurch werden jetzt genauere Messungen direkt im Blut von Patienten mit Hilfe tragbarer Geräte möglich, so wie wir es schon von Blutzuckermessgeräten kennen.

Nach Zugabe verschiedener Fluophore ändert sich die Farbigkeit des Systems. Bild vergrößern
Nach Zugabe verschiedener Fluophore ändert sich die Farbigkeit des Systems.

Wie die Glühwürmchen

Häufig basieren diese Geräte auf der Erfassung von Lichtsignalen, die durch das Enzym Luciferase erzeugt werden. Dieses Enzym lässt auch Glühwürmchen leuchten. NanoLuc ist eine solche synthetische Luciferase, die sehr helles, sichtbares blaues Licht erzeugt, was einer Wellenlänge von ungefähr 460 Nanometern entspricht. Für eine Detektion in biologischen Proben ist diese Wellenlänge aber zu gering, da sie in Blut zum Beispiel absorbiert wird und von Sensoren so nicht mehr wahrgenommen werden kann.

Ein System in verschiedenen Farben

Das Team um Kai Johnsson, Leiter der Abteilung Chemische Biologie, hat zur Lösung des Problems auf ein System (LUCiferase-based Indicators of Drugs, LUCIDs) aufgebaut, das die Gruppe schon früher entwickelt hat. Mit der Erweiterung können die Luciferase-Detektoren jetzt auch Licht im roten sichtbaren Bereich bis zu 680 Nanometer abgeben. „Dadurch können wir das Problem der Absorption umgehen und jetzt auch Konzentrationen im Blut genau messen“, erklärt Julien Hiblot, Wissenschaftler in der Abteilung von Johnsson und einer der Autoren der Publikation. Die Farbigkeit des Systems wird dabei gesteuert, indem man kleine, farbige Moleküle (Fluorophore) zugibt. Sie sind über ein zweites Protein mit der Luciferase verbunden und verändern so das abgegebene Licht.

Sensoren für Medikamente im Blut

Aber wie erkennt das System dann, wieviel des Medikaments sich in der Probe befindet, die der Patient daheim auf den Messstreifen auftragen kann? Dafür haben die Max-Planck-Forscher einen Baustein eingefügt, an den die Wirkstoffe binden können. Abhängig von der Menge an Wirkstoff, der zum Zeitpunkt der Messung vorhanden ist, gibt das System dann ein stärkeres oder schwächeres Lichtsignal ab. Das Signal wird aufgezeichnet und in eine Konzentration umgerechnet. Darauf kann der Nutzer dann reagieren und selbst oder in Absprache mit dem Arzt die Dosis des Medikaments anpassen.

Da das System in verschiedenen Farben eingestellt werden kann, macht es zusätzlich die simultane Analyse mehrere Substanzen möglich. „Das ist nicht nur für die Biosensorik wertvoll, sondern hat auch ein großes Potenzial für die Bildgebung in der Zellbiologie“, sagt Kai Johnsson über das Spektrum der Anwendungen. (efu)

 
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