Bio-Elektronik: Auf dem Weg zum Wirkstoffscreening per Zell-Transistor-Biosensor

27.06.2007

Um selektive Messtechniken für Diagnostik, Wirkstoffsuche und Detektion von Giften zu entwickeln, würden Forscher gern die hohe Spezifität biochemischer Rezeptoren mit der universellen Mikroelektronik kombinieren. Solche bioelektronischen Hybridsysteme sind keine Utopie mehr, wie Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie jetzt zeigen konnten. In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben sie die Kopplung eines Rezeptors an einen Siliziumchip über eine Zell-Transistor-Schnittstelle.

Viele Rezeptoren sind an Ionenkanäle in der Zellmembran gekoppelt. Bindet der zugehörige Ligand an den Rezeptor, wird der Kanal geöffnet, Ionen können in die Zelle einströmen. Mit speziellen winzigen Elektroden (Patch-Clamp-Technik) lässt sich dieser Ionenstrom messen. Dabei geht die Zelle jedoch kaputt. Ein Team um Peter Fromherz beweist nun, dass es auch anders geht. Für ihre neuartige, nicht-invasive Sensorik koppeln sie den Ionenstrom über einen Zell-Chip-Kontakt direkt an eine Mikroelektronik.

Als Testobjekt wählten sie den Serotonin-Rezeptor, ein membranständiges Protein, das eine wichtige Rolle im Nervensystem spielt. Spezifische Blocker des Rezeptors werden beispielsweise klinisch eingesetzt, um Übelkeit bei der Chemotherapie zu unterdrücken und Reizdarmbeschwerden zu behandeln. Auf einem Silizium-Chip mit einer linearen Anordnung vieler Transistor-Schaltelemente ließen die Wissenschaftler Zellen aufwachsen, die viele Serotonin-Rezeptoren in der Membran tragen. Für die Messungen muss eine Zelle ausgewählt werden, die den winzigen Kontakt (Gate) eines der Transistoren bedeckt. Die Spannung in dieser Zelle wird mit einer speziellen Elektrode kontrolliert. Wird nun Serotonin appliziert, öffnen sich die Ionenkanäle. Ein Ionenstrom fließt entlang eines engen Spaltes zwischen Zelle und Chip in die Zelle. Das beobachtete Signal der Transistorspannung ist dem Membranstrom proportional.

Anhand verschiedener Serotonin-Konzentrationen lassen sich Dosis-Wirkungsbeziehungen ermitteln. Bei Zugabe potenzieller neuer Rezeptor-Blocker könnte deren Wirksamkeit rasch und einfach anhand ihres Einflusses auf das Transistor-Signal ermittelt werden. Fromherz: "Mit dieser Kopplung eines liganden-gesteuerten Ionenkanals an einen Transistor auf der Ebene einzelner Zellen haben wir die Basis für eine Rezeptor-Zell-Transistor-Biosensorik gelegt."

Originalveröffentlichung: Peter Fromherz et al.; "Ein rekombinanter Serotonin-Rezeptor auf einem Transistor als Prototyp für zellbasierte Biosensoren"; Angewandte Chemie 2007.

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