Immobilisierung von Biomolekülen zum Nachweis des Stresshormons Cortisol

Abbildung 1: Immobilisierte Biokomponenten auf einem Polymersubstrat (grau).

Mit einfach zu benutzenden Biosensoren sollen Menschen zu Hause die Möglichkeit erhalten, relevante Werte selbständig zu ermitteln. Um non-invasive und schmerzfreie Methoden anbieten zu können, werden die Biomarker im Speichel und nicht wie üblich im Blut detektiert. Für die Herstellung eines Biosensors müssen spezifische Biorezeptoren auf Kunststoffoberflächen befestigt oder immobilisiert werden. Bindet der zum Rezeptor gehörige Biomarker, reagiert der Biosensor mit einem einfach messbaren elektrochemischen Signal.

Für den zuverlässigen Einsatz eines Sensors sind unter anderem die Funktionalität und Stabilität der Biorezeptoren von zentraler Bedeutung. Deren direkte Immobilisierung auf einem Polymer ist aber sehr herausfordernd. Die Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am INKA hat eine Technologie entwickelt, um Enzyme und andere biologische Komponenten auf Polymeroberflächen zu binden. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Sensitivität der Enzyme und dem möglichen Aktivitätsverlust durch Wärmeinwirkung, Bestrahlung mit Licht oder Kontakt mit Sauerstoff.

Abbildung 2: Das Modell-Enzym wird auf einer Elektrode immobilisiert. 

Cortisol wird bei Stressreaktionen des Körpers ausgeschüttet. Durch die Messung des Cortisol-Spiegels kann beurteilt werden, ob und wie stark jemand unter körperlichem oder emotionalem Stress steht. Insbesondere durch Echtzeit-Überwachung über eine längere Zeitdauer können Gegenmassnahmen ergriffen und chronischem Stress sowie Stress-bedingten Krankheiten vorgebeugt werden. Die aktuell erhältlichen Cortisol-Detektoren bedingen aber die Begleitung durch eine Fachperson, sind nicht benutzerfreundlich und liefern keine Echtzeit-Resultate. Mit einem schnellen und zuverlässigen Heim-Messsystem will Nutrix den Markt revolutionieren. Im Rahmen eines durch die Innosuisse finanzierten Innochecks arbeiten Nutrix und INKA erstmals zusammen an der Umsetzung dieser Idee.

Abbildung 3: Farbnachweis der Enzymaktivität direkt nach dem Eintauchen (links) und nach 15 Minuten (rechts).Abbildung 3: Farbnachweis der Enzymaktivität direkt nach dem Eintauchen (links) und nach 15 Minuten (rechts).

Das Projektteam hat in einem ersten Schritt Parameter für die zuverlässige und reproduzierbare Immobilisierung von funktionalen Enzymen auf Polymeroberflächen entwickelt. Anschliessend wurde ein Modell-Enzym auf der Oberfläche immobilisiert und dessen Aktivität mit einem Farbnachweis bestätigt (Abbildungen 2 und 3).

Die bisherigen Erkenntnisse werden nun genutzt, um Sensoren für die Detektion von Cortisol zu realisieren. Sobald die Machbarkeit bewiesen ist, werden wir ein Innosuisse-Umsetzungsprojekt beantragen mit dem Ziel, ein marktreifes Produkt zu entwickeln.
Wir danken Nutrix für die fruchtbare und sehr spannende Zusammenarbeit. Der Innosuisse danken wir für die finanzielle Unterstützung dieses Vorhabens.