Neuartiger Chemosensor

Forscher entwickeln ein praktisches System zum Nachweis von bakteriellem Lipopolysaccharid in wenigen Minuten und ebnen so den Weg für sicherere Krankenhäuser und pharmazeutische Produkte

Sophia-Universität

Bild: Endotoxine sind gefährliche Substanzen, die von vielen Bakterienarten produziert werden. Die derzeitigen Methoden zu ihrem Nachweis sind jedoch zeitaufwändig und teuer. Jetzt haben Forscher eine praktische Plattform entwickelt, mit der Endotoxine mithilfe eines fluoreszierenden Chemosensors und eines selbst entwickelten Fluorophotometers mit zwei Wellenlängen schnell nachgewiesen werden können. Der Chemosensor bildet durch Bindung an LPS-Moleküle verschiedene komplexe Aggregate, die bei bestimmten Wellenlängen Fluoreszenz zeigen, die gleichzeitig und genau vom Fluorophotometer gemessen werden.mehr sehen

Bildnachweis: Hiroshi Kimoto von der Sophia University

Die COVID-19-Pandemie hat sehr deutlich gemacht, dass wir bessere Methoden brauchen, um schnell nach gefährlichen Krankheitserregern und Substanzen zu suchen. Eine solche Verbindung, die regelmäßig unter dem Radar bleibt, ist Lipopolysaccharid (LPS), das allgemein als „Endotoxine“ bekannt ist. Dieses Molekül, das in der Außenmembran gramnegativer Bakterien vorkommt, kann für den Menschen sehr schädlich sein. Es kann eine starke Immunreaktion auslösen, die Fieber und Entzündungen hervorruft. Im schlimmsten Fall kann es zu Organversagen aufgrund einer Sepsis kommen.

Überraschenderweise gibt es für ein so allgegenwärtiges Toxin nur sehr wenige Möglichkeiten, das Vorhandensein von LPS effektiv nachzuweisen. Der Goldstandard für den Nachweis ist der Limulus-Amöbozyten-Lysat-Test (LAL). Da dies manuell in einer sauberen Laborumgebung erfolgen muss, kann der Vorgang mehrere Stunden dauern und ist zudem teuer. Es gibt zwar andere Methoden zur Erkennung von LPS, diese sind jedoch ebenfalls zeitaufwändig oder umständlich. Und dieser Zeitaufwand kann in Krankenhäusern und pharmazeutischen Produktionsstätten mitunter zu erheblichen Verzögerungen bei der Entscheidungsfindung führen.

Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam aus Japan eine neue Strategie zum schnellen Nachweis von LPS in löslichen Proben entwickelt. In ihrer neuesten Studie, die am 31. Juli 2023 online in der Fachzeitschrift Analytical Chemistry veröffentlicht wurde, stellt das Team eine vielversprechende Plattform vor, die die Art und Weise, wie wir nach LPS suchen, revolutionieren könnte. Der Erstautor der Studie ist Hiroshi Kimoto, ein Doktorand an der Sophia University in Japan und Mitglied der Abteilung für technische Entwicklung bei Nomura Micro Science Co., Ltd. Die Studie wurde gemeinsam von Takashi Hayashita und Takeshi Hashimoto verfasst , beide von der Sophia University, und Yota Suzuki von der Saitama University.

Die Hauptkomponente des vorgeschlagenen LPS-Analysesystems ist ein ratiometrischer Fluoreszenz-Chemosensor namens Zn-dpa-C2OPy. Diese Verbindung, die für die selektive Bindung an LPS entwickelt wurde, weist interessante Fluoreszenzeigenschaften auf. Wenn es nicht an LPS gebunden ist, bildet es kleine kugelförmige Vesikel, die bei Anregung durch UV-Strahlen Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittieren. In Gegenwart von LPS bildet der Chemosensor jedoch komplexe Aggregate mit dem Toxin in einer Lösung; Diese Aggregate unterscheiden sich strukturell von den Aggregaten des Chemosensors oder des LPS allein. Die komplexen Chemosensor-LPS-Aggregate emittieren bei Anregung durch UV-Strahlen Licht mit einer völlig anderen Wellenlänge, und ihr Vorhandensein wurde durch spektrometrische Messungen weiter bestätigt.

Um einen LPS-Nachweis mit hohem Durchsatz zu erreichen, kombinierten die Forscher den Chemosensor mit einem FIA-System (Flow Injection Analysis) und einem selbst entwickelten Fluorophotometer mit zwei Wellenlängen. Dieses System ermöglicht es, eine flüssige Probe von Interesse einfach mit einer bekannten Menge Chemosensor zu mischen und die Mischung dann in das Fluorophotometer einzuspeisen, das die Fluoreszenzänderungen als Reaktion auf LPS misst. Basierend auf dem Verhältnis zwischen den Fluoreszenzintensitäten kann man die Konzentration von LPS in der Eingangsprobe abschätzen. Einer der Hauptvorteile dieses Systems ist seine Geschwindigkeit. „Von der Probenentnahme bis zu den Analyseergebnissen dauert es bei einem stündlichen Probendurchsatz von 36 nur eine Minute, was diese Technik extrem schnell und effizient macht“, bemerkt Kimoto.

Zusätzlich zum hohen Durchsatz weist der vorgeschlagene Chemosensor eine hohe Empfindlichkeit und Stabilität bei der Quantifizierung von LPS auf. Tatsächlich hat der Chemosensor eine Nachweisgrenze von 11 pM (pikomolar), was niedriger ist als die anderer beschriebener Chemosensoren für kleine Moleküle für den LPS-Nachweis. Dies bedeutet, dass geringere LPS-Konzentrationen nachgewiesen werden können als mit anderen alternativen Methoden. Darüber hinaus ist das chemosensorbasierte Analysesystem einfach und tierfreundlich – andere herkömmliche LPS-Nachweismethoden verbrauchen tierische Ressourcen und können wiederum diesen Tieren schaden. Dies macht es zu einem hervorragenden Kandidaten für praktische und effiziente Point-of-Care-Tests auf LPS und bakterielle Kontaminationen in Wasser-, klinischen oder pharmazeutischen Proben.

Mit Blick auf die langfristigen Auswirkungen dieser Arbeit kommentiert Herr Kimoto: „Basierend auf dieser Forschung wird ein Online-Endotoxin-Monitor entwickelt und für den Einsatz in realen Situationen verfügbar gemacht.“ Ein solcher Monitor könnte an pharmazeutischen Produktionsstandorten, am Krankenhausbett und auf Intensivstationen installiert werden, um die Endotoxinkonzentration in pharmazeutischen Produkten wie Wasser für Injektionszwecke oder dem Blut infizierter Patienten kontinuierlich zu überwachen.“

Durch mehr Arbeit auf diesem Gebiet wird die Bedrohung durch Endotoxine in naher Zukunft minimiert, wodurch Krankenhäuser sicherer werden und Diagnoseverfahren für bakterielle Erkrankungen verbessert werden.

Referenz

【Titel der Originalarbeit】Hochdurchsatzanalyse von bakteriell toxischem Lipopolysaccharid in Wasser durch Dual-Wellenlängen-Überwachung unter Verwendung eines ratiometrischen Fluoreszenz-Chemosensors

【Zeitschrift】Analytische Chemie

【DOI】10.1021/acs.analchem.3c01870

[Autoren] Hiroshi Kimoto1,2, Moeka Takahashi3, Masakage Masuko1, Kai Sato1, Yuya Hirahara1,2, Masamitsu Iiyama2, Yota Suzuki3,4, Takeshi Hashimoto3 und Takashi Hayashita3*

【Zugehörigkeiten】1Graduate School of Science and Technology, Sophia University, Japan, 2Technical Development Division, Nomura Micro Science Co., Ltd., Japan, 3Department of Materials and Life Sciences, Faculty of Science and Technology, Sophia University, Japan, 4Graduate School of Science and Engineering, Universität Saitama, Japan

Über die Sophia-Universität

Die Sophia-Universität wurde 1913 als private jesuitische Universität gegründet und ist eine der renommiertesten Universitäten im Herzen von Tokio, Japan. Sophia vermittelt Bildung in 29 Abteilungen an 9 Fakultäten und 25 Hauptfächern an 10 Graduiertenschulen und beherbergt mehr als 13.000 Studenten aus der ganzen Welt.

Gegründet im Geiste „Für andere, mit anderen“, legt die Sophia University großen Wert auf Internationalität und Nachbarschaftlichkeit und glaubt an Bildung und Forschung, die über nationale, sprachliche und akademische Grenzen hinausgehen. Sophia betont die Notwendigkeit multidisziplinärer und Fusionsforschung, um Lösungen für die drängendsten globalen Probleme wie Klimawandel, Armut, Konflikte und Gewalt zu finden. Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat Sophia engagierte Anstrengungen unternommen, um zukunftsfähige Absolventen auszubilden, die ihre Talente und Erkenntnisse zum Wohle anderer einbringen und den Weg für eine nachhaltige Zukunft ebnen können, während sie gleichzeitig „die Welt zusammenbringen“.

Website: https://www.sophia.ac.jp/eng/

Über Hiroshi Kimoto von der Sophia University

Hiroshi Kimoto arbeitet an seiner Doktorarbeit an der Graduate School of Science and Technology der Sophia University, Japan. Er ist außerdem mit der technischen Entwicklungsabteilung von Nomura Micro Science Co., Ltd. verbunden. Er ist auf Chemosensoren, spektrometrische Analyse und Durchflussanalyse spezialisiert. Derzeit hat er acht Veröffentlichungen zu diesen Themen veröffentlicht.

Informationen zur Finanzierung

Diese Studie wurde durch einen Zuschuss für wissenschaftliche Forschung (C) (Zuschuss-Nr. 23K04792), einen Zuschuss für wissenschaftliche Forschung (B) (Zuschuss-Nr. 20H02772) und ein JSPS-Forschungsstipendium für junge Menschen finanziert Wissenschaftler PD (Stipendien-Nr. 21J00709 und 22KJ2748) von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS). Diese Arbeit wurde auch durch den Sonderstipendium für akademische Forschung der Sophia University unterstützt; „Angenommene Forschungsprojekte zur Forschung zu optionalen Themen“.

Analytische Chemie

10.1021/acs.analchem.3c01870

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Hochdurchsatzanalyse von bakteriell toxischem Lipopolysaccharid in Wasser durch Dual-Wellenlängen-Überwachung unter Verwendung eines ratiometrischen Fluoreszenz-Chemosensors

31. Juli 2023

Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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