Feldeffektbasierter mikrofluidischer Biosensor für Umwelthormone (seit 2018)

Im Projekt soll ein feldeffektbasierter mikrofluidischer Biosensor für Umwelthormone entwickelt werden. Als Sensorelement sollen dabei Aptamere verwendet werden, die die zu untersuchenden Hormone spezifisch binden können.

Aktuelle Fragestellung

Substanzen mit hormonähnlicher Wirkung (sogenannte Umwelthormone oder Endokrine Disruptoren (auf englisch: Endocrine disrupting chemicals, kurz EDCs) können durch eine Vielzahl von Wirkmechanismen in hormonelle Abläufe von Lebewesen eingreifen und diese verändern. In den letzten 20 Jahren häufen sich durch tierexperimentelle und epidemiologische Studien die Hinweise, dass sie zur Zunahme hormonabhängiger Erkrankungen und Gesundheitsstörungen des Menschen beitragen könnten. Insbesondere deuten sich hier Wirkungen auf den Rückgang der männlichen Fruchtbarkeit, Krankheiten des weiblichen Fortpflanzungssystems, Frühpubertät, und ein Rückgang der Anzahl geborener Jungen an. Auch die Zunahme von Erkrankungen wie ADHS oder dem DOWN-Syndrom steht mit der erhöhten Exposition von EDCs im Verdacht. Vertreter der endokrinen Disruptoren findet man unter anderem bei Pestiziden und Fungiziden, Holz- und Vorratsschutzmitteln, Komponenten von Kunststoffen und Verpackungsmaterial aber auch unter den natürlich vorkommenden Inhaltsstoffen von pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln.

Endokrin wirksame Substanzen sind in der Umwelt insbesondere gelöst in Gewässern zu finden. Die Detektion dieser hormonell aktiven Substanzen in diesen Gewässern ist bisher nur durch komplexe Laboranalytik (wie z.B. LC/MS) oder durch Biosensoren möglich. Bei den Biosensoren kommen derzeit Enzyme, Antikörper, Nukleinsäuren (DNA/RNA) oder auch ganze Zellen als Rezeptoren zum Einsatz. In den allermeisten Fällen erfolgt die Detektion optisch, was ebenfalls komplexe Geräte zum Auslesen sowie eine Markierung (Labelling) der Rezeptoren mit weiteren Substanzen (Fluoreszenzfarbstoffe, Enzyme o.ä.) voraussetzt. Entsprechende elektrochemische Sensoren sind besser miniaturisierbar, arbeiten aber üblicherweise mit Enzymen, deren Spezifität und Stabilität häufig schwierig zu kontrollieren sind. Es fehlt also an kostengünstiger, transportabler Analytik für den Vororteinsatz am Gewässer. Hier setzt das Projekt an.

Materialsynthese

Aufbau von AptasensorenAls Erkennungskomponente für die EDCs sollen Aptamere verwendet werden. In der Literatur wurden bereits verschiedene Aptamere durch den sogenannten SELEX-Prozess ausgewählt, sequenziert und sind kommerziell erhältlich. Im Projekt soll ein feldeffektbasierter Sensor mit Aptameren als Rezeptoren in einem mikrofluidischen System entwickelt werden. Die durch den endokrinen Disruptor ausgelöste bindungsinduzierte Ladungsänderung oder -umverteilung am Rezeptor-Hormon-Komplex kann dann elektrisch detektiert werden. Die Integration in ein mikrofluidisches System (s. Abb. 1) in Kombination mit einer einfachen elektrischen Auslesung (z.B. als EGFET= Extended Gate Field Effect Transistor oder in einer Elektrolyt/Isolator/Halbleiter-Struktur oder durch Impedanzmessung) ermöglicht dann den mobilen Einsatz vor Ort, z.B. bei der Gewässeranalytik

Funktionsprüfung

Der hergestellte Biosensor soll hinsichtlich seiner sensorischen Eigenschaften mit künstlich hergestellten Labor- und realen Abwasserproben aus der Praxis getestet werden. Wichtige Parameter hierbei sind: Sensitivität, Selektivität, Stabilität, Reversibilität und das Detektionslimit. Dazu sollen zuerst künstlich hergestellte wässrige Lösungen mit Umwelthormonen und später reale Abwasserproben verwendet werden. Sobald die passenden Aptamere und die zugehörende Oberflächenchemie entwickelt wurde, soll die Sensoreinheit in eine mikrofluidische Struktur eingebunden und elektrisch ausgelesen werden.

Finanzierung

Die Finanzierung erfolgt über eine Landesinnovationspromotion des ESF.

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