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„Bioanalytik vor Ort mit elektrischen Biochips“Arbeitsgruppe des Autors

Rainer Hintsche

Hintergrund

Die Analytik biologischer Moleküle basiert oft auf dem von der Natur übernommenen hochselektiven "Schloß-Schlüssel-Prinzip" der Bindung strukturell komplementärer Moleküle. Man nennt dieses Affinitätsbindung und findet sehr viele Beispiele. Bestens bekannt sind die Paarungen in der Doppelhelix der Nukleinsäuren, oder die von lebenden Organismen erzeugten Antikörper zur Immunabwehr oder bei der Auslösung von Allergien. Auch der spezifische Angriff infektiöser Erreger oder die Wirkung biologischer Gifte beruhen auf diesem Prinzip.

Biosensorik

In den vergangenen Jahren sind zahlreiche mit Biosensoren arbeitende Messverfahren für die Analytik von biologischen Molekülen entwickelt worden. Biosensoren sind Messfühler bestehend aus affinitätsbindenden Biomolekülen, den sogenannten Fängern, und einem Signalwandler. Sie haben eine weite Verbreitung gefunden. Die verwendeten Fängermoleküle sind in der Lage, Analyte aus komplexen Stoffgemischen selektiv zu binden und aufgrund der biochemischen Komplexbindung ein Signal in Abhängigkeit von der Konzentration des Stoffes auszugeben. Die Detektion kann optisch oder elektrisch erfolgen.
Bei optischen Methoden werden für die empfindliche Messungen meist größere und stationäre Systeme benötigt. Diese Technik ist weit verbreitet und wird standardmäßig in den Laboratorien eingesetzt. Die elektrische Detektion wird bisher auf Grund technisch und technologisch sehr anspruchsvoller Signalwandler und Elektronik weniger benutzt. Sie bietet aber den Vorteil, dass die Detektion z.B. elektrochemisch über Redoxreaktionen direkt am Ort der Bindungsreaktion gemessen werden kann und nicht der Umweg über eine optische Wandlung gegangen werden muss. Durch den Verzicht auf optische Komponenten können zudem Kosten eingespart werden und es ist technologisch einfacher zu miniaturisieren und Kosten zu reduzieren. Daher ist die elektrische Biochiptechnologie besonders für den portablen Einsatz für die Analytik vor Ort und eine individuelle Nutzung geeignet.

Elektrische Biochip-Technologie

Am Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe (ISiT) wurden in den letzten 15 Jahren elektrische Biosensoren entwickelt, die elektrochemisch nach dem Prinzip der Multikanal-Amperometrie arbeiten. Hauptbestandteil der mittels modernster und industrieller Halbleitertechnologie hergestellten Sensoren bzw. Silizium-Chips sind Gold-Elektroden mit interdigitalem Aufbau und Abmessungen um 500 Nanometer.
Das bei den elektrischen Mikroarrays verwendete biochemische Messprinzip ist die auch im konventionellen biochemischen Labor, z.B. im Gesundheitswesen, oft benutze ELISA-Methode (enzyme linked immunosorbent assay). Diese Methode wurde derart angepasst, dass unterschiedliche Fänger-Moleküle auf den verschiedenen Positionen des Chiparrays direkt chemisch auf der Oberfläche der Goldelektroden fixiert werden. Erkennt und bindet eine Array-Position ihr Zielmolekül, werden ausschließlich diese Komplexe mit einem Enzym markiert. Jedes Markermolekül erzeugt danach sehr viele kleine Redoxmoleküle, die in der monomolekularen Molekülschicht als elektrischer Strom gemessen werden. Dies bewirkt einen Verstärkungseffekt, der durch die nano-Dimension der Elektroden in einem elektrochemischen Kreisprozess und durch optimale Diffusion an den sehr kleinen Chip-strukturen nochmals potenziert wird. Das gemessene Stromsignal ist proportional der Zahl der eingefangenen Zielmoleküle. Durch diese Konstruktion können sehr niedrige und spezifische Nachweisgrenzen erzielt werden.

Anwendungen der Plattform

Basierend auf dieser Biochiptechnologie wurde von der Firma eBiochip Systems GmbH, Itzehoe einer Ausgründung aus dem Fraunhoferinstitut, ein universelles Gerätesystem zur Vor-Ort Analytik von Nukleinsäuren, Proteinen und kleinen biologisch aktiven Molekülen entwickelt. Das robuste und platzsparende Messverfahren, das hier für niedrigdichte preiswerte Arrays mit 16-Meßpositionen ausgelegt wurde hat den Einsatz in portablen Nachweissystemen ermöglicht. Es wird z.Z. in ca. 20 Orten in Europa von F&E-Laboren und Biotechnologen zur Entwicklung eigener spezieller Anwendungen und auch in Forschungsprojekten, die von der EU und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden, eingesetzt. Die Anwendungen reichen von der Identifizierung und Kontrolle von Schlüsselgenen von Mikroorganismen in der Biotechnologie bis zur Prozesskontrolle bei der Protein- und Enzymproduktion. Auch infektiöse Erreger oder Schadstoffe in Nahrungsmitteln werden auf diese Weise gemessen. Besondere Leistungsfähigkeit hat eine spezielle Variante des Systems, der Detektor "ePaTOX", beim Nachweis und der Quantifizierung biologischer Gefahrenstoffe, die man besonders als Terrorinstrumente und heimtückische Waffen fürchtet, unter Beweis gestellt. Das universelle Instrument kann vor Ort sowohl biologische giftige Proteine, wie z.B. Botox, als auch die Erbsubstanz von tödlichen Erregern, wie z.B. Anthrax identifizieren. Dabei werden nur die Chipbeladung und der Analysegang variiert. Das Gerät ist am Markt angetreten, eine weltweite Spitzenstellung zu erobern.
Die gleiche Technologie wurde von einem Projektkonsortium bestehend aus dem Fraunhofer ISIT mit den Firmen SIEMENS, Infineon, Eppendorf und November zum ersten vollelektronischen Biochip der Welt mit 100 bis 1000 Messpositionen und der gesamtem Messelektronik im gleichen Chip weiterentwickelt. Auf dem Weg zum Massenprodukt entwickelt SIEMENS daraus mit dem sogenannten "Quicklab" -system ein vollautomatisches Labor in modifizierter Checkkartentechnik, ähnlich wie sie von den Geldkarten bekannt ist.
Für die in mehr als 50 Patenten gesicherten Erfindungen und die Weiterentwicklungen haben Rainer Hintsche vom Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie, Walter Gumbrecht von der SIEMENS AG und Roland Thewes von der Infineon AG für diese "Elektrische Biochiptechnologie - Labor auf dem Chip" den Deutschen Zukunftspreis 2004 des Bundespräsidenten sowie weitere hochrangige nationale und internationale Preise erhalten.

Abbildungen 1-4:
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Kontakt:
  • Dr.Rainer Hintsche
    Abteilungsleiter Biotechnische Mikrosysteme
    Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie
    und Technischer Direktor bei eBiochip Systems GmbH
    Fraunhoferstr.1
    25524 Itzehoe
    Tel.: +49 (0)4821-174221
    E-Mail: hintsche@isit.fhg.de
     hintsche@ebiochip.de