Sensortechnologie nutzt Baupläne und Mechanismen der Natur, um den Stoffwechsel im Körper zu überwachen

Die lebenswichtigen Funktionen werden durch eine Reihe von Verbindungen, sogenannte Metaboliten, angetrieben. Diese sind an allen natürlichen Prozessen beteiligt, darunter an der Energieerzeugung, der Regulierung der Zellaktivität und der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Körpersysteme. Die Beobachtung dieser Moleküle bietet Einblicke in den Beginn und Verlauf vieler Krankheiten, den allgemeinen Gesundheitszustand, das Ansprechen auf Behandlungen und die komplexe Funktionsweise biologischer Systeme. 

Die heutigen Methoden zur Metabolitenerkennung greifen jedoch zu kurz. Die meisten basieren auf ressourcenintensiven Labortests, die lediglich kurze Momentaufnahmen einzelner Proben liefern. Die wenigen Sensoren, die Metaboliten kontinuierlich verfolgen können, sind weitgehend auf die Blutzuckermessung beschränkt.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung des  California NanoSystems Institute  (CNSI) an der UCLA hat diese Einschränkungen möglicherweise überwunden. In einer kürzlich in den  Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie  demonstrierten die Forscher eine auf natürlichen biochemischen Prozessen basierende Sensortechnologie, die in der Lage ist, mehrere Metaboliten aus einer Vielzahl von Optionen gleichzeitig kontinuierlich und zuverlässig zu messen. 

„Um zu verstehen, wie Metaboliten biologische Prozesse beeinflussen oder den Gesundheitszustand widerspiegeln, müssen wir je nach unserem spezifischen Interesse verschiedene Metabolitengruppen überwachen“, sagte der leitende Korrespondent Sam Emaminejad, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der  UCLA Samueli School of Engineering  und CNSI-Mitglied. „Unser Ziel war es daher, eine Sensorplattform zu entwickeln, die auf ein breites Spektrum von Metaboliten anwendbar ist und gleichzeitig eine zuverlässige Funktion im Körper gewährleistet – und dafür haben wir natürliche Stoffwechselprozesse genutzt.“

Die Sensoren sind auf Elektroden aus winzigen Zylindern, sogenannten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, aufgebaut. Diese Elektroden funktionieren wie Miniatur-Biochemielabore: Sie nutzen Enzyme und Hilfsmoleküle, sogenannte Kofaktoren, um Reaktionen durchzuführen, die die Stoffwechselprozesse des Körpers widerspiegeln. Je nach Zielmetabolit erkennen die Sensoren diesen entweder direkt oder wandeln ihn zunächst durch eine Kette enzymatischer Zwischenreaktionen in eine nachweisbare Form um.

Die Erkennung erfolgt über Enzyme, die spezifisch Elektronenaustauschreaktionen katalysieren. An der Elektrodenoberfläche erzeugen diese Reaktionen einen elektrischen Strom, der zur Bestimmung des Metabolitenspiegels gemessen werden kann. Parallel dazu arbeiten andere Enzyme, um Fehlsignale zu verhindern, indem sie störende Moleküle neutralisieren – ähnlich wie Enzyme Substanzen in unserem Körper entgiften.

Um dieser Fähigkeit Rechnung zu tragen, mehrere Reaktionen nacheinander und parallel ablaufen zu lassen, nennt das Forschungsteam seine Technologie „auf metabolischen Reaktionen basierende Tandemsensoren“ oder kurz TMR-Sensoren.