Fokus auf Biosensoren

Was sind Biosensoren?

Ein Biosensor ist ein Gerät, das eine bestimmte Substanz oder einen Analyten mit hoher Spezifität nachweisen kann. Beispiele für solche Analyte sind Glukose, Laktat, Glutamin und Glutamat. Die meisten Biosensoren messen die Konzentration eines Analyten in einer wässrigen Lösung und erzeugen in der Regel ein elektrisches Signal, das proportional zur Konzentration des Analyten in seinem Messbereich ist.

Ein enzymatischer Biosensor besteht aus einem Enzym, das den Zielanalyten erkennt und mit ihm reagiert und dabei ein chemisches Signal erzeugt, einem Wandler, der aus diesem chemischen Signal ein physikalisches Signal erzeugt, und einem elektronischen Verstärker, der das Signal aufbereitet und verstärkt. Biosensoren ermöglichen die Analyse in komplexen biologischen Medien. Der Nachweis einer großen Anzahl von Verbindungen ist nicht nur für die wissenschaftliche Forschung, sondern auch für die Prozesskontrolle in der Chemie- und Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung. Auch im Gesundheitswesen ist sie für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten und die Überwachung von Krankheiten unverzichtbar. In der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie besteht ein großer Wunsch nach einer häufigen bis kontinuierlichen Analyse von biologischen Medien; Solche Analysen werden mit Hilfe von Analysegeräten wie HPLC-Systemen durchgeführt, die zwar robust und zuverlässig, aber teuer sind und  sich nur bedingt für den Online-Betrieb eignen. Aus diesem Grund positioniert sich die IST AG mit der Übernahme der Jobst Technologies GmbH als wichtiger Anbieter von  leistungsstarken und zuverlässigen Online-Biosensoren.

Enzymatische Biosensoren für Stoffwechselparameter

In den frühen 1960er Jahren stellten Clark und Lyons den ersten Glukosesensor vor, der ein Enzym (Glukoseoxidase, GOx) als Rezeptor verwendet, wobei dieses Enzym spezifisch für Glukose ist. Enzyme ermöglichen die hochspezifische Messung des entsprechenden Analyten selbst in komplexen Gemischen wie Fermentationsbrühe und Blut; es ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen;

Analyten wie Glucose, Lactat, Glutamin und Glutamat spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel lebender Organismen. Glukose und Glutamin unterstützen die Zellfunktion und das Wachstum; Laktat wird von den Zellen produziert und ermöglicht die Beurteilung der Effizienz des Zellstoffwechsels; und Glutamat ist eine Aminosäure, die von den Zellen verbraucht wird. Jeder dieser Analyten erfordert eine spezifische Reihe von Enzymen für seinen Nachweis;

Die kontinuierliche (on-line) Überwachung der Konzentration solcher Parameter ermöglicht neben zahlreichen anderen

• die Erstellung, Optimierung und Kontrolle von Fütterungsstrategien in Zellkulturen
• die Minimierung der Risiken für Patienten bei Operationen
• Intensivpflege Analyse von Lebensmittelprozessen vor Ort

Vielseitige Sensoren

Jobst Technologies GmbH hat  jahrzehntelange Erfahrung mit enzymatischen Biosensoren. Enzyme werden in einem Stapel von vier durchlässigen Polymermembranen auf Platin-Mikroelektroden immobilisiert, die den von der enzymatischen Reaktion ausgehenden elektrischen Strom aufnehmen. Die überlegene Membrantechnologie von Jobst Technologies ermöglicht die einfache Einstellung von Leistungsparametern wie Empfindlichkeit, Messbereich und Ansprechzeit. Außerdem ist diese Technologie mit der Sterilisation durch Bestrahlung (Gamma, Beta) kompatibel. All dies macht unsere Biosensoren für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.

Dank der geringen Größe der Elektroden kann ein einziger Chip mehrere Elektroden aufnehmen. Der Array-Sensor LV5 von Jobst Technologies verfügt über bis zu 6 empfindliche Elektroden, mit denen Glukose, Laktat, Glutamin und Glutamat gleichzeitig nachgewiesen werden können. Sehr kleine Flüssigkeitsproben können analysiert werden, während sie durch seine 1-μL-Durchflusszelle fließen, so dass er sowohl für die Offline-Analyse als auch für den Online-Betrieb geeignet ist.

Nicht zuletzt wird jeder Sensor in einem automatisierten Prozess werkseitig kalibriert und markiert, was eine vollständige Rückverfolgbarkeit ermöglicht und ihn ideal für Ready-to-Use- und Single-Use-Anwendungen macht. 

Biomedizinische Anwendung - ein neues wegweisendes Produkt: EIRUS

Die optimale Behandlung schwerkranker Patienten erfordert die kontinuierliche Überwachung ihrer Blutwerte. Vor kurzem hat Maquet Critical Care, ein weltweit führender Anbieter von medizinischen Systemen für Krankenhäuser, mit der Einführung der EIRUS-Plattform, die speziell für die kontinuierliche Überwachung von Glukose und Laktat bei kritisch kranken Patienten entwickelt wurde, einen neuen Standard gesetzt. Es optimiert nicht nur die Qualität der Patientenversorgung, sondern reduziert auch die Arbeitsbelastung des Pflegepersonals im Vergleich zu häufigen intermittierenden Blutanalysen. Das System basiert auf der Mikrodialysetechnik, die einen von der Jobst Technologies GmbH in Freiburg (Deutschland) entwickelten und hergestellten Durchflusssensor speist.

Während eines mehrtägigen Dauerbetriebs meldet EIRUS minütlich die Glukose- und Laktatwerte im Blut und schlägt Alarm, wenn die Werte außerhalb der voreingestellten Bereiche liegen. Dies ermöglicht eine rasche Beurteilung des glykämischen Zustands des Patienten, was wiederum ein rasches und schnelles Glukosemanagement mit Insulin gewährleistet. Eine strengere Blutzuckerkontrolle kommt nicht nur Diabetikern zugute, sondern verbessert nachweislich auch die Ergebnisse bei nichtdiabetischen Intensivpatienten, die häufig einen Zustand aufweisen, der als "Stressdiabetes" bezeichnet wird;

Erhöhte Laktatwerte (Hyperlaktatämie) sind ein Indikator für erhöhte Morbidität und Mortalität. Die Überwachung des Laktatspiegels ermöglicht eine frühzeitige und kontinuierliche Risikobewertung, Diagnose und Therapie, um die Risiken für die Patienten zu minimieren.

Biosensoren - ihre Anwendung in der Biotechnologie

Heutzutage helfen Zellkulturen bei der Entwicklung neuer Drogen und Medikamente. Tierische Zellen werden so manipuliert, dass sie Proteine und Antikörper exprimieren, die bei der Behandlung verschiedener Krankheiten und Leiden eingesetzt werden. Um den Ertrag und die Produktqualität zu maximieren, müssen die Bedingungen der Zellkulturen optimalen Werten entsprechen. Die Überwachung von Nährstoffen, wie z. B. Glukose, spielt bei der Fütterungsstrategie einer Zellkultur eine entscheidende Rolle. Eine Art von Glukosesensoren, die in der Biotechnologie verwendet wird, erfordert eine Fluidik-Verdünnungsstufe, die sich außerhalb des Kulturgefäßes befinden muss. Solche Systeme weisen Probleme auf, wie z. B. eine große Latenzzeit aufgrund der Durchlaufzeit durch die Verdünnungsstufe, einen größeren Platzbedarf, da ein externes Analysegerät erforderlich ist, ein Kontaminationsrisiko, da die Proben invasiv im Bioreaktor entnommen werden müssen, und das Problem des Totvolumens in den Röhrchen. Andere Sensoren können nach der Sterilisation durch Bestrahlung nicht über längere Zeit gelagert werden. Die von der IST AG und Jobst Technologies entwickelte Technologie ermöglicht eine kontinuierliche Glukoseüberwachung entweder innerhalb des Kultivierungsgefäßes oder mit Hilfe eines Sondensystems;

Eine Chinesischer-Hamster-Eierstock (CHO)-Zelllinie wurde für eine Batch1-Kultur in einem konventionellen Glasbioreaktor verwendet. Die Glukosekonzentration wurde über mehrere Tage hinweg kontinuierlich überwacht. Für die Kontrollmessungen wurden ein Nova Bioprofile Analyzer und ein HPLC-System verwendet. Aufgrund ihrer Robustheit können die Sensoren vor ihrer Verwendung mit Gammastrahlen bestrahlt und gelagert werden. Die Sensoren sind vorkalibriert; eine einmalige Kalibrierung zu Beginn sorgt jedoch für eine höhere Genauigkeit während der gesamten Kultivierung, die mehrere Tage dauert. Während dieser Zeit wird jede Sekunde ein Messpunkt erfasst, ohne dass manuelle Arbeit erforderlich ist, wie dies bei den verwendeten Referenzsystemen der Fall ist;

Acknowledgment

Besonderen Dank an Dr. Caspar Demuth, Dr. Iris Poggendorf, Fabienne Seiler und Irène Stutz von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (Institut für Biotechnologie, Wädenswil, Schweiz) für die Durchführung der Kultivierung und die Bereitstellung der Daten.

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1 Bei einer Batch-Kultur hat das Nährmedium eine Ausgangsglukosekonzentration und es wird keine weitere Nährstoffzufuhr vorgenommen.