PORTEFEUILLE

Die Schweiz hält eine führende Stellung im Bereich miniaturisierter Sensoren und verfügt dank entsprechenden Förderprogrammen über ein nahezu einzigartiges Angebot an planaren integrierten optischen Wellenleitern und Photometern. Innerhalb dieses Projektes werden neue Anwendungen von Wellenleitern entwickelt und demonstriert, für den Nachweis von Proteaseaktivitäten (Endotoxin Nachweis) und Biomarkern wie z.B. biogenen Aminen und Ionenaktivitäten. Für die Quantifizierung der Proteaseaktivitäten stehen bereits chromogene Peptidsubstrate zur Verfügung, welche im langwelligen Spektralbereich absorbieren.
Das Projekt basiert auf den Resultaten des KTI-Medtech Projektes 3828.1 (MIOSA), welches die Entwicklung eines „miniaturized optical absorption modules“ sowie eines zugehörigen wissenschaftlichen Photometers zum Ziele hatte. Für den quantitativen Nachweis von Proteaseaktivitäten in wässrigen Lösungen und in Vollblut sind noch nicht alle Voraussetzungen für die industrielle Umsetzung erfüllt. Andererseits konnte parallel zum KTI-Projekt gezeigt werden, dass dieselben Chips und Photometer grundsätzlich auch für die Bestimmung der Aktivitäten von Biomarkern eingesetzt werden können.
Das Projekt verfolgt das Ziel, die attraktiven wissenschaftlichen Ergebnisse der Vorprojekte an die Schwelle der Vermarktbarkeit zu führen und die praekompetitive Phase erfolgreich abzuschliessen.

Im Rahmen des vorliegenden Projektes sollen die wissenschaftlichen und technologischen Kompetenzen auf den Gebieten der Bioanalytik und der Sensorik durch Kooperation mit Partnern aus der Industrie und der Hochschule weiterentwickelt und auch zunehmend vernetzt werden - dies unter anderem mit der Absicht, den Standort „Greater Zurich Area“ auf dem Gebiet der Biotechnologie und des Angebotes von Sensoren und miniaturisierten analytisch-chemischen Messvorrichtungen nachhaltig zu stärken.
Das Know-how für die Modellierung der Protease-Substrat Wechselwirkung steht am Institut für Pharmazeut. Wissenschaften zur Verfügung. Die Spin-off Firmen SENSORIX und C-CIT werden aufgrund bestehender Verträge an der Verwertung beteiligt. C-CIT beteiligt sich gemäss Businessplan mit Eigenleistungen an der Entwicklung der Technologie.

Im Sommer 2004 ist es gelungen zu zeigen, dass das entwickelte chromogene Substrat im nasschemischen Endotoxintest tatsächlich durch das LAL-Enzym gespalten wird. Die Sensitivität des Tests war im Bereich der notwendigen Auflösung von 0.075 – 0.6 EU/ml. Nach Immobilisierung des Substrates auf dem Chip, konnte die enzymatische Spaltung auch auf dem Chip direkt nachgewiesen werden. Der Nachweis der Enzymaktivität war innert einer Minute möglich. Anhand von Spaltungstesten mit einer zweiten Serinprotease, der Matrix Metalloprotease 2 (MMP-2) konnte zudem gezeigt werden, dass sich der Farbstoffmarker auch für enzymatische Tests zur Tumordiagnose eignet bzw. zum Nachweis der Hemmwirkung von Tumorstatika. Als „Biomarker“ wurden Kaliumionen nachgewiesen indem eine K+-selektive Optodenmembran auf dem optischen Chip immobilisiert wurde. Wechselnde Kaliumkonzentrationen liessen sich reversibel im Durchfluss bestimmen. Die Detektionsgrenze lag bei unter 10-6 Mol/L, der lineare Messbereich zwischen 10-5 und 10-2 Mol/L. Gleichermassen konnten Änderungen der Azidität (des pH) zwischen pH 2 und pH 13 nachgewiesen werden. Die chemischen Komponenten liessen sich auf dem optischen Wellenleiter innerhalb des Projektes leider nicht reproduzierbar immobilisieren.

Im Rahmen des Projektes konnte also zum ersten Mal gezeigt werden, dass es möglich ist, Enzymaktivitäten mittels direkt auf einem optischen Chip aufgebrachten Substraten nachzuweisen. Die grösste verbleibende Herausforderung ist die reproduzierbare chemische Funktionalisierung der Oberfläche des optischen Chips. Für die chromogenen Substrate und die Sensortechnologie wurden Patente angemeldet.

Gleb Zhylyak, Victor Ramoz-Perez, Michael Linnhoff, Thomas Hug, Daniel Citterio and Ursula E. Spichiger-Keller, “Detection of Serine-Proteases on Planar Optical Waveguides”. Optics and Lasers in Engineering, Elsevier Science Ltd. (Amsterdam), 43/3-5 (2004) 603-617.
Stephan Dörig (2003), Verwendung von integrierten optischen Wellenleitern (optische Chips) für die quantitative Bestimmung eines Biomarkers oder eines Wirkstoffes. Diploma work Pharm. Chemie, SS 2003.
Imfeld Patrick (SS 2004), Grundlagen für die Entwicklung eines miniaturisierten optischen Enzym-Assays für den Nachweis von Bakterien-Endotoxinen auf der Basis eines chromogenen LAL-Tests.
Jurt Céline (SS 2004), Chemisch modifizierte integriert optische Wellenleiter für die Bestimmung der Aktivität von Kaliumionen und Proteasen.
Meier Sarah (WS 2003/04), Reagent free MMP activity assay based on modified planar optical waveguide chip.
Bisig Raffael (WS 2003/04), Characterization of new chromogenic substrates to determine the activity of serine proteases.

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