Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahrensentwicklung zur Bestimmung der Proteinkonformation auf Basis der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie am Beispiel monoklonaler Antikörper

Die Rolle von Proteinen als biologische Therapeutika zur Behandlung vieler Volkskrankheiten, wie z. B. Diabetes mellitius, Arthritis und Krebs wächst beständig. Die spezifische Aktivität dieser Makromoleküle ist stark von deren dreidimensionaler Struktur abhängig. Neben der verringerten Spezifität bei Aggregation erfolgt eine signifikante Erhöhung des Risikos einer immunologischen Reaktion. Hierdurch ergibt sich ein nicht zu vernachlässigendes Patientenrisiko. Die Sicherstellung der Qualität erfolgt bisweilen nur unmittelbar nach der Herstellung. In Krankenhäusern und Apotheken gibt es kaum Möglichkeiten, die Qualität der Zubereitungen im Rahmen einer Wareneingangskontrolle zu überprüfen. Die geringere Stabilität großer Moleküle, längere Transportwege, eine Zunahme ausländischer Versandapotheken und die Häufung von Fälschungsdelikten von Biopharmaka machen deutlich, dass hier ein Kontrollverfahren etabliert werden muss.

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Chips zur Kontrolle der Produktsicherheit von biologischen Pharmazeutika am Beispiel monoklonaler Antikörper auf Basis der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie (SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Dazu werden zwei hochreproduzierbare SERS-Substrate für die Wellenlängen 532 und 785 nm entwickelt, die mit fast allen am Markt verfügbaren Raman-Spektrometern kompatibel sind.

Neben den Apotheken als klassischen KMU profitieren durch die Entwicklung eines neuen Analyseverfahrens weitere Unternehmen entlang der kompletten Wertschöpfungskette. Hierzu zählen unter anderem Diagnostiklaboratorien, die entweder die Analyse als Dienstleistung anbieten oder die SERS-Chips als Kit vermarkten könnten. Es profitieren Firmen aus dem Bereich der Fertigungstechnik, die die Herstellung der SERS-Chips übernehmen. Des Weiteren würden Unternehmen aus den Bereichen der Mikrofluidik und der Materialverarbeitung (Funktionalisierung) direkt profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines SERS-Sensors für die Bestimmung der Sekundär-/Tertiärstruktur, was Rückschlüsse auf die Funktionalität von therapeutischen Antikörpern ermöglicht. Als Applikation wurde die Detektion von Aggregaten in Formulierungen (Infusionen) monoklonaler Antikörper für die Qualitätssicherung in herstellenden Apotheken (z. B. Immuntherapeutika) zur Behandlung angestrebt. Als spezielles Ergebnis der vorliegenden Arbeit kann zusammengefasst werden, dass der entwickelte SERS-Sensor spezifisch und quantitativ auf monoklonale Antikörper/Antikörperaggregate im nM-Konzentrationsbereich anspricht. Für eine umfangreiche statistische Absicherung und Validierung des Verfahrens müssen jedoch noch mehr Untersuchungen unter Verwendung weiterer Sensorchips durchgeführt werden, die innerhalb der Projektlaufzeit nicht fertig gestellt werden konnten. Die tendenziell unterscheidbare Antwort des Sensors auf Antikörperlösungen mit hohem (60%) und niedrigem (< 3%) Aggregat-Anteil, welche die Detektion von fehlerhaften Medikamenten erlauben könnte, müsste ebenfalls in weiteren Untersuchungen geprüft werden, könnte aber bei ihrer Bestätigung zurr Weiterentwicklung der Sensor-Technologie genutzt werden. Auf der aktuellen Stufe kann diese Technologie jedoch noch nicht kommerziell eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden jedoch wesentliche Entwicklungsschritte für die Herstellung von Frequency-Shift-SERS-Sensoren, basierend auf nanostrukturierten Substraten, erarbeitet. Folgeprojekte und eine wirtschaftliche Nutzung sind denkbar. In zukünftigen Projekten müsste der Fokus noch stärker auf der Kontrolle der Substrat-Reproduzierbarkeit, der Funktionalisierung und der Stabilisierung der Messbedingungen liegen.

Es wird daher angestrebt die Entwicklungsarbeiten durch eine weitere Drittmittel-Finanzierung zu vertiefen, um der Entwicklung eines Demonstrators, als finalem Entwicklungsziel, näher zu kommen.