Die JRF fördert die interdisziplinäre Kooperation ihrer Mitgliedsinstitute. Daraus entstanden ist unter anderem das Vernetzungsprojekt der JRF-Institute IUTA – Institut für Energie- und Umwelttechnik und AMO – Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik zum Thema „Verfahrensentwicklung zur Bestimmung der Proteinkonformation auf Basis der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie am Beispiel monoklonaler Antikörper“. Die Institute entwickeln gemeinsam einen Chip, mithilfe dessen die Qualität der Antikörper als biologische Therapeutika zum Beispiel in herstellenden Apotheken sichergestellt werden kann. Derartige Therapeutika gewinnen zur Behandlung von Volkskrankheiten wie z. B. Diabetes mellitus, rheumatoider Arthritis und Krebs beständig an Bedeutung.

Martin Klaßen, Bereich Forschungsanalytik & Miniaturisierung (IUTA) und Dr. Ulrich Plachetka, Leiter der Arbeitsgruppe Sensortechnologie (AMO) berichten der JRF über ihre gemeinsame Forschungsarbeit.

Ihr institutsübergreifendes Projekt ist ein Paradebeispiel für die Vernetzungsaktivitäten der JRF-Institute. Wie kam es zu Ihrem Kontakt?

Plachetka (AMO): Wir waren vorher schon in Kontakt, auch im Austausch bei JRF-Treffen.
Klaßen (IUTA): Außerdem kooperierte unser Institut mit der Abteilung für Physikalische Chemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Dort wurden gemeinsam Detektionsverfahren auf Basis der Ramanspektroskopie entwickelt. Parallel lief dort ein Kooperationsprojekt mit der AMO. Dadurch kamen wir ebenfalls in Kontakt.

Wie kam es zur Grundidee Ihres Projekts, einen Chip zu entwickeln, der die Qualität der biologischen Therapeutika prüfen soll?

Klaßen (IUTA): Schon lange begleiten wir herstellende Apotheken. Seit kurzem führen wir auch Qualitätskontrollen der zubereiteten Infusionslösungen zur Krebstherapie durch. Zu den Wirkstoffen zählen u. a. monoklonale Antikörper. Herstellenden Apotheken stehen zurzeit keine Verfahren zur Verfügung, um die Qualität mit einem einfachen, kostengünstigen und robusten Verfahren vor Ort zu überprüfen. Das Hauptproblem liegt darin, dass die Herkunft und die Transportketten der gelieferten Antikörper in der Vergangenheit nicht immer kontrolliert werden konnten. Jedoch können monoklonalen Antikörper bei ungekühltem Transport Schaden nehmen.

Wie können Sie mithilfe der Ramanspektroskopie sichtbar machen, ob das Therapeutikum auf den langen Transportwegen und bei Temperaturänderungen Schaden genommen hat oder nicht?

Plachetka (AMO): Mit einem Laser wird auf den Analyten, also hier die Antikörper gestrahlt, der sich auf einer Oberfläche mit Nanoantennen befindet. Das Licht wird daran gestreut und anschließend detektiert. Die Eigenschaften des Lichts geben dann Informationen über die dreidimensionale Struktur des Proteins und somit über eine mögliche Beschädigung. Die Nanoantennen auf der Oberfläche verstärken dabei die Streuung des Lichts. Wir können für die Messungen daher auch kleinere Laserleistungen verwenden und laufen daher nicht Gefahr den Analyten zu verändern oder gar zu verdampfen.

Mithilfe des goldbeschichteten Chips lassen sich die Antikörper näher untersuchen.

Für welchen Teil des Projekts ist das IUTA zuständig und welche Aufgaben übernimmt die AMO?

Plachetka (AMO): Wir entwickeln eine Oberfläche für den Chip, auf der kleine metallische Nano-Antennen aufgebracht sind, und stellen diese her. Wir führen mit einem einfacheren Molekül Funktionalitätstests der Chips durch, dann gehen diese ans IUTA.
Klaßen (IUTA): Wir haben die Aufgabe, den Chip weiter zu funktionalisieren und auf den Zielanalyten, also die Antikörper, anzuwenden. Wir prüfen, ob die Oberfläche unseren Vorstellungen entspricht und ob wir Änderungen in der Struktur der Antikörper feststellen können, nachdem wir diese z.B. durch hohe Temperaturen gestresst haben.

Ihre Forschungen haben im August 2019 begonnen. Damit hatten Sie nur ein knappes halbes Jahr, bis die Corona-Pandemie begann. Welche Herausforderungen hat diese für die Forschung mit sich gebracht?

Plachetka (AMO): Corona hat uns insofern getroffen, als dass der Zugang zum Labor durch verschiedene Maßnahmen reduziert worden ist. Hinzu kam, dass die Lieferketten verschiedener Produkte sehr ins Stottern geraten sind.
Klaßen (IUTA): Bei uns war es ähnlich. Dazu kam, dass unsere Laborkapazität durch Umbaumaßnahmen vorher schon geringer war, das hat uns zusätzlich eingeschränkt. Das Projekt ist daher um vier Monate auf Ende Februar 2022 verlängert worden.

An welchem Punkt des Projekts sind Sie momentan?

Klaßen (IUTA): Wir haben zeigen können, dass die Chipoberfläche inzwischen derart modifiziert ist, dass wir einen quantitativen Nachweis über die Antikörper führen können. Das ist nicht so einfach, da hier viele Parameter beachtet werden müssen.
Plachetka (AMO): Bei uns haben die ersten Chargen der Chips zunächst nicht so gut funktioniert. Aufgrund der Lieferprobleme war unsere Anlage noch nicht so weit und wir haben ein paar Produktionsschritte extern veranlasst. Die letzten Chargen haben aber gute Ergebnisse gebracht. Wir haben die Chips vorcharakterisiert und mithilfe des IUTA gelernt, die Oberflächenchemie aufeinander abzustimmen und so das Zielmolekül zu adressieren.

Was sind die weiteren geplanten Schritte, um das Projekt fertig zu stellen?

Klaßen (IUTA): Auf unserer Seite steht an, ausreichend Datenpunkte zu sammeln, um die Analyse der Daten statistisch korrekt zu beschreiben. Im Augenblick können wir den Chip nicht automatisch abrastern, daher steckt hier zunächst viel manuelle Arbeit dahinter. Ziel ist eine Automatisierung des Ablaufs und der Ergebnisauswertung.
Plachetka (AMO): Und wir stellen mehr von den Chips mit den inzwischen laufenden Prozessen her. Außerdem mischen wir in der Messung mit. Wir versuchen mit unserem System Teile der Messungen nachzuvollziehen und zu erweitern. Denn mit der Charakterisierung von Halbleitern kennen wir uns an der AMO sehr gut aus, mit der Charakterisierung von Proteinen haben wir aber weniger Erfahrung. Hier möchten wir weiter dazulernen und uns mit dem IUTA weiter abstimmen.

Ihr Projekt entwickelt den Chip „am Beispiel monoklonaler Antikörper“ – wie einfach oder kompliziert ist das Prinzip auch auf andere Therapeutika anwendbar?

Klaßen (IUTA): Innerhalb des Projektes hat sich gezeigt, dass ein direktes Detektionsverfahren am geeignetsten ist. Der Chip ist somit auf monoklonale Antikörper spezialisiert. Zur Übertragung auf eine andere Proteinstruktur bedarf es eine neue Anpassung des Chips. Proteine sind in der Regel schlechter „Ramanstreuer“. Bei kleineren Molekülen, wie z. B. den Zytostatika, würde ich erwarten, dass es einfacher geht. Mit Proteinen haben wir uns einer Herausforderung gestellt.

Wie kann man für die Anwender in den Apotheken eine hohe Benutzerfreundlichkeit erreichen?

Klaßen (IUTA): Es gibt für Apotheken bereits kostengünstige Spektrometer, aber nicht für wässrige Proben. Prinzipiell besteht auch das Interesse der Apotheker an einer weitergehenden Qualitätskontrolle. Bei spektroskopischen Verfahren hat man in der Regel ein Verfahren, das recht robust und leicht zu händeln ist. Was man braucht ist eine anwenderfreundliche Software, die für die Auswertung genutzt werden kann. Denn mit bloßem Auge erkennt man die Unterschiede im Signal des gestreuten Lichts nicht, das muss automatisiert werden.
Plachetka (AMO): Der Chip kann so ausgegeben werden, dass die Oberflächenchemie schon darauf ist und man vor Ort nach wenigen Schritten messen kann. Die Auswertung muss aber tatsächlich integriert als Produkt verkauft werden, sonst läuft das nicht.

Gibt es noch etwas, das Sie an dieser Stelle loswerden möchten?

Plachetka (AMO): Nur dass wir sehr gerne wieder ein Kooperationsprojekt mit dem IUTA machen würden!
Klaßen (IUTA): Da kann ich mich nur anschließen, mit der AMO jederzeit!

Über die Interviewpartner:

Dr. Ulrich Plachetka studierte Nachrichten- und Kommunikationstechnik gefolgt von regenerativer Energietechnik und promovierte in Kooperation mit der RWTH Aachen am JRF-Institut AMO. Dort leitet er seither die Arbeitsgruppe Sensortechnologie.
Martin Klaßen studierte Chemieingenieurwesen an der Hochschule Niederrhein und Biochemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Er ist seit Anfang diesen Jahres Teamleiter für die Arbeitsgruppe Bioanalytik am JRF-Institut IUTA.