Neue Trends bei der Verwendung von Biosensoren auf der Basis evaneszierender Wellen

Abstract

In den letzten Jahren haben Biosensoren für die Untersuchung biomolekularer Wechselwirkungen eine zunehmende Bedeutung erlangt. Insbesondere die Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-(Surface Plasmon Resonance, SPR) [1] und die Resonanzspiegel-Technik (Resonant Mirror, RM) [1] werden häufig in Biosensoren eingesetzt. Dies lässt sich unter anderem an den weit mehr als eintausend Veröffentlichungen erkennen, die sich mit der Anwendung von SPR-oder RM-Biosensoren bei der Analyse von Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen beschäftigt haben.Als optische Methoden verwenden sowohl die RM-als auch die SPR-Technik evaneszierende Wellen, [1] um primär den Brechungsindex einer (wässrigen) Lösung in der Nähe der Sensoroberfläche zu bestimmen. Daher sind beide Verfahren zunächst unspezifisch, durch die optische Detektion aber sehr empfindlich. Spezifität erlangen die Sensoren durch die Modifizierung der in der Lösung befindlichen Oberfläche, z. B. durch die Immobilisierung eines Proteins. Als Trägeroberflächen werden dabei dünnste Schichten von Gold, anderen Edelmetallen oder glasähnlichen Materialien verwendet. Wird nun ein Bindungspartner zu der Lösung über der Sensoroberfläche gegeben, reichert sich dieser durch die Komplexbildung an der Oberfläche an. Die dadurch hervorgerufene ¾nderung des Brechungsindexes der Lösung über der Sensoroberfläche korreliert mit der Massenzu-oder -abnahme des Sensors während der Komplexreaktion (Abbildung 1).Die Experimente lassen sich in kurzer Zeit (wenige Minuten) und mit sehr kleinen Probenmengen durchführen, was sie für das Wirkstoffscreening interessant macht. Für die Untersuchung von biologischen Fragestellungen sind die erhaltenen Signalverläufe aber wesentlich wertvoller, da sich aus ihnen prinzipiell die Gleichgewichtskonstante sowie die Zeitkonstanten (Assoziations-(On-rate) oder Dissoziationsgeschwindigkeit (Off-rate)) der Komplexreaktion bestimmen lassen. Aufgrund der optischen Detektion gelingen so Ein-Abbildung 1. Schematische Darstellung der Signalabhängigkeit von der Beschaffenheit der Oberfläche während eines Resonanzspiegel-oder Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Experiments. A) Basislinie nach der Vorbereitung der Sensoroberfläche z. B. durch Immobilisierung eines Proteins. B) Während der Zugabe eines Bindungspartners zur Lösung beginnt die Komplexbildung. Dieser Vorgang ändert den Brechungsindex an der Sensoroberfläche und das Messsignal steigt an. C) Wird das Experiment bis zur Einstellung des Gleichgewichts durchgeführt, so erhält man ein Plateau. D) Nach dem Entfernen des Bindungspartners aus der Lösung, dissoziiert der Komplex und das Messsignal fällt ab. E), F) Abbruch des Experiments und Regeneration der Oberfläche ohne Deaktivierung des Proteins führen zurück zur Basislinie. Die Assoziations-und die Dissoziationsgeschwindigkeit der Komplexbildung lassen sich aus den ansteigenden bzw. abfallenden Abschnitten der Kurve durch mathematische Verfahren ermitteln. blicke in die zeitliche Abfolge der Komplexbildung ohne jegliche Markierung der Moleküle. Die erhaltenen kinetischen u...