Laborjournal 2020-10

| 10/2020 64 Methoden Einer der µNMR-Pioniere ist der Exildeut- sche Ralph Weissleder an der Harvard Medi- cal School in Boston. Seit zwei Jahrzehnten entwickelt seine Arbeitsgruppe Laborprototy- pen tragbarer NMR-Systeme. Ihr größter Bau- stein ist ein Permanentmagnet von der Größe einer Kaffeetasse. ImVergleich zu zimmerho- hen und kryogengekühlten Schwergewichten wie den 28,2-Tesla-Forschungsmagneten der ETH Zürich oder des Göttinger MPI für Biophy- sikalische Chemie erscheint seineMagnetfeld- stärke von 0,5 Tesla nichtig. Die Sensitivität von NMR-Spektrome- tern hängt aber unter anderem von der Stär- ke des magnetischen Feldes ab. Was können µNMR-Spektrometer also leisten? Zur Aufklä- rung von Struktur und Dynamik biologischer Makromoleküle taugen sie jedenfalls nicht. Sie sind eher darauf spezialisiert, Zielstrukturen wie etwa zirkulierendeTumorzellen (CTC) oder Pathogene in Körperflüssigkeiten und Biop- sien aufzuspüren – in Echtzeit und nicht-in- vasiv. Zirkulierende Tumorzellen zu detektie- ren, ist eine große Herausforderung: In einem Milliliter Vollblut befinden sich neben Millio- nen Leukozyten und Milliarden Erythrozyten nur eine Handvoll CTCs. Um Infektionen mit Pathogenen zu diagnostizieren, müssen Pro- ben oft über Tage kultiviert und durch einen Experten ausgewertet werden. Schnelle Diagnose Weissleders µNMR-System kann dank der Messung des Relaxationsverhaltens spezifi- scher Zielmoleküle schon nach einer Stun- de eine Diagnose stellen, und zwar mit einer Genauigkeit, die herkömmliche Plattformen zur Zelldetektion wie etwa CellSearch nicht gewährleisten ( Neoplasia 14(5): 388-95). Ein- fachere Zielstrukturen wie zum Beispiel An- tikörper gegen Influenzaviren übersieht das µNMR-System selbst in pikomolarer Konzent- ration nicht (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 47(22): 4119-21). Das Geheimnis dieser sogenannten NMR-Relaxometrie verrät Jens Anders, Lei- ter des Instituts für Intelligente Sensorik der Universität Stuttgart:„Geringe Konzentratio- nen von Biomolekülen können mittels spe- zifisch funktionalisierter Nanopartikel detek- tiert werden.“ Ein Beispiel hierfür sind mono- klonale Antikörper, die über inverse Diels-Al- der-Chemie zwischen trans-Cycloocten und einem Tetrazin kovalent gebunden werden. Diese bioorthogonalen Klick-Reaktionen lö- sen weder toxische Nebenreaktionen in bio- logischen Proben aus, noch werden sie von Biomolekülen beeinflusst. Mit Geschwindig- keitskonstanten von bis zu 10 6 M -1 s -1 holen sie zudem fast Enzyme ein. Anders fügt hin- zu: „Prinzipiell kann so ein breites Spektrum an Biomolekülen erfasst werden.“ Die Funktionalisierungmit Antikörpern ist natürlich auch das Herzstück anderer Messme- thoden. Die Detektionssensoren der NMR-Re- laxometrie arbeiten aber nochmit einemzwei- ten Trick: Die Nanopartikel sind aus magneti- sierbarem Material wie zum Beispiel Eisen(I- I,III)-oxid gefertigt. Wieso ist das ein Vorteil? NMR-Relaxometer messen, ähnlich wie klini- sche Kernspintomographen, die transversa- len (T2) Relaxationszeiten von Protonen. An- tikörper-konjugierte Nanopartikel wirken da- her gleichzeitig als Näherungssensor und Kon- trast-Reagenz. Siemachen das lokaleMagnet- feld in der Nähe erkannter Biomarker inhomo- gener und zerstören dadurch die Kohärenz der T2-Zeiten benachbarterWasserprotonen. In der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) führt scheinbar kein Weg vorbei an quantenmechanischem Experten- wissen, empfindlichen Hochfeld-Magneten und Anschaffungskosten in Millionenhöhe. Dass NMR auch anders geht, beweisen miniaturisierte µNMR-Spektrometer für Zellanalyse und Point-of-Care -Diagnostik. NMR imWestentaschenformat Neulich an der Bench (200): micro-NMR Bauteile eines µNMR-Geräts, das Forscher von der University of Macau sowie der Harvard University Anfang des Jahres vorstellten. Herzstücke sind der Halbleiter-Chip mit der Transcei- ver-Einheit sowie der kleine portable 0,51Tesla Permanentmagnet. Foto: University of Macau

RkJQdWJsaXNoZXIy Nzk1Nzg=