Antibiotikapegel über den Atem messen

Biosensor zur Messung von Antibiotika-Konzentrationen

Ein Team der Universität Freiburg konnte an Säugetieren zeigen, dass sich auch in Atemproben die Konzentration von Antibiotika im Körper bestimmen lässt: Der hier verwendete Biosensor, ein Multiplex-Chip für die gleichzeitige Messung von mehreren Messproben und Teststoffen, könnte in Zukunft für eine personalisierte Dosierung von Antibiotika von Nutzen sein.

© Patrick Seeger/Universität Freiburg

Der Sensor, den die Forschungsgruppe um Dr. Can Dincer und H. Ceren Ates, FIT Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien, und Prof. Dr. Wilfried Weber, Professor für Synthetische Biologie und Mitglied im Sprecherteam des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies, in „Advanced Materials“ vorstellt, arbeitet mit synthetischen Proteinen, die auf die Antibiotika reagieren. Die Forschenden testeten den Biosensor an Blut, Plasma, Urin, Speichel und im Atem von Schweinen, die Antibiotika erhielten. Dabei konnten sie nachweisen, dass die Messungen mittels Biosensoren im Plasma der Schweine so zuverlässig sind wie das Standardlaborverfahren in der Medizin. Zu Atemmessungen erklärt Dr. Dincer: „Bisher konnten Forschende nur Spuren von Antibiotika im Atem nachweisen. Mit unseren synthetischen Proteinen auf einem Mikrofluidik-Chip bestimmen wir kleinste Konzentrationen im Atemgaskondensat und diese korrelieren mit den Blutwerten“.

Bei schweren Infektionen sollte nicht nur zur Therapie der Antibiotikapegel im Blut innerhalb eines personalisierten therapeutischen Bereichs stabil gehalten werden. Auch könnten sich die Bakterien bei niedriger Antibiotika-Gabe so verändern, dass die Medikamente nicht mehr wirken. „Die schnelle Überwachung der Antibiotika- Werte wäre in der Klinik von großem Nutzen“, so Ates, „die Methode ließe sich möglicherweise in eine herkömmliche Gesichtsmaske einbauen.“ Dincer entwickelt in einem weiteren Projekt an der Universität Freiburg tragbare Papiersensoren für die kontinuierliche Messung von Biomarkern im Atem. Zur Validierung des Antibiotikasensors sind klinische Tests geplant, die das System an menschlichen Proben prüfen.

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Der Mikrofluidik-Biosensor trägt auf einem Polymerfilm befestigte Proteine, die Beta-Laktam-Antibiotika wie z. B. Penicillin erkennen. Das in der Probe untersuchte Antibiotikum und ein enzymgekoppeltes Beta-Lactam konkurrieren um die Bindung dieser bakteriellen Proteine. Das bewirkt eine Stromänderung: Je mehr Antibiotikum in der Probe vorhanden ist, desto weniger Enzymprodukt entsteht, was zu einem geringeren messbaren Strom führt. Das Verfahren basiert auf einem natürlichen Rezeptorprotein, mit dem auch resistente Bakterien das für sie gefährliche Antibiotikum erkennen.

An dieser fächerübergreifenden Studie waren weitere Forschende der Universität Freiburg beteiligt: Prof. Dr. Gerald Urban von der Professur für Sensoren am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Prof. Dr. Maja Banks-Köhn von den Zentren für biologische Signalstudien BIOSS und CIBSS sowie Prof. Dr. Stefan Schumann aus der Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin des Universitätsklinikums Freiburg.

Originalpublikation:
Ates, H.C. et al.: Biosensor-enabled multiplexed on-site therapeutic drug monitoring of antibiotics. In: Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202104555

Quelle: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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