Neuer Biosensor an der Kanazawa Universität revolutioniert die Krankheitsdiagnostik

September 6, 2024
06.09.2024
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Forschung an der Kanazawa Universität: Hochsensitiver, hochdurchsatzfähiger Biosensor zur Messung von Metaboliten, die auf Krankheiten hinweisen

Die Kanazawa Universität hat durch ihre Forscher am Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) einen bedeutenden Fortschritt in der medizinischen Diagnostik erzielt. Ein neu entwickelter Biosensor ermöglicht die hochsensitiven Messungen von 1-Methylnicotinamid (1-MNA) in Urinproben, ohne dass eine aufwendige Probenreinigung erforderlich ist. Diese Entwicklung könnte weitreichende Auswirkungen auf die frühzeitige Erkennung von Krankheiten haben, da Metaboliten häufig als Indikatoren für verschiedene Erkrankungen dienen.

1-MNA ist ein Metabolit, der im Körper durch die Methylierung von Nicotinamid (Nam) durch das Enzym Nicotinamid-N-Methyltransferase (NNMT) während des Stoffwechsels von Vitamin B3 (Niacin) produziert wird. Erhöhte 1-MNA-Spiegel sind mit verschiedenen Erkrankungen assoziiert, darunter Krebs, Lebererkrankungen, Fettleibigkeit und metabolische Störungen. Die Messung von 1-MNA kann somit wichtige Informationen über die NNMT-Aktivität liefern, die in einigen Krebsarten erhöht ist. Studien zeigen, dass 1-MNA-Spiegel mit der Aggressivität von Tumoren korrelieren, und eine Hemmung des NNMT-Gens kann bestimmte Verhaltenssymptome von Krankheiten verringern.

Traditionell wurden zur Messung von Metaboliten Methoden wie die Massenspektrometrie und die Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt. Diese Verfahren sind jedoch kostspielig und komplex, was ihre breite Anwendung einschränkt. Die Forscher Masaya Ueno, Tomoki Ogoshi und Atsushi Hirao haben daher eine neuartige Strategie entwickelt, um die Empfindlichkeit und Spezifität der Messungen erheblich zu verbessern. Sie verwendeten eine spezielle Art von Pillararene-Molekülen als Biosensor, die es ermöglicht, 1-MNA in unaufbereiteten Urinproben mit einer Empfindlichkeit zu messen, die um das 700-fache höher ist als bei vorherigen Ansätzen.

In ihren vorherigen Arbeiten hatten die Forscher bereits gezeigt, dass ein mit 12 Carboxylat-Anionen funktionalisiertes Pillararene (P6AC) als 1-MNA-Sensor fungieren kann, da es an 1-MNA bindet und die Fluoreszenz aufgrund eines photoinduzierten Elektronentransfers hemmt. Allerdings war eine umfangreiche Probenreinigung erforderlich, und die Empfindlichkeit war nicht ausreichend, um die Mikromolarkonzentrationen in Kulturüberständen menschlicher Krebszellen zu erfassen. Um einen sensitiveren Biosensor zu entwickeln, untersuchten die Forscher die Bindung zwischen 1-MNA und einem mit Sulfonatgruppen funktionalisierten Pillararene (P6AS). Diese neue Verbindung zeigte eine signifikant höhere Bindungsaffinität, was zu einer Empfindlichkeit im submikromolaren Bereich führte.

Die Forscher stellten fest, dass die Detektion in menschlichem Serum aufgrund höherer Autofluoreszenz nicht möglich war, jedoch die Detektion in unaufbereitetem menschlichem Urin erfolgreich durchgeführt werden konnte. Im Vergleich dazu liegt die Nachweisempfindlichkeit der Massenspektrometrie im Nanomolarbereich, während der Durchsatz wesentlich geringer ist. Die hohe Durchsatzfähigkeit des P6AS-Biosensors könnte es ermöglichen, Tausende potenzieller NNMT-Inhibitoren zu screenen, was zur Behandlung von Lebererkrankungen und Krebs beitragen könnte.

Die höhere Empfindlichkeit des neuen Biosensors wird durch die stärkere Säure der Sulfonatgruppen im Vergleich zu den Carboxylatgruppen erklärt. Die Forscher schlussfolgern, dass weitere Verbesserungen ihrer Strategie zur hochdurchsatzfähigen Screening von NNMT-Inhibitoren, zur Diagnose von Lebererkrankungen und zur Bildgebung menschlicher Krebszellen in vivo beitragen werden.

Die Entwicklung dieses Biosensors stellt einen wichtigen Schritt in der biomedizinischen Forschung dar und könnte die Art und Weise revolutionieren, wie Krankheiten diagnostiziert und behandelt werden. Die Möglichkeit, Metaboliten wie 1-MNA schnell und präzise zu messen, könnte nicht nur die Forschung vorantreiben, sondern auch die klinische Praxis erheblich verbessern.

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift "Analytical Chemistry" veröffentlicht und sind ein Beleg für die Innovationskraft der Kanazawa Universität im Bereich der Lebenswissenschaften.

Für weitere Informationen über die Forschung und die Entwicklungen am Nano Life Science Institute besuchen Sie bitte die offizielle Webseite der Kanazawa Universität.

Quellen:

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