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21.09.2021

22.01.2021

Nachweis von Arzneimittelrückständen mit verschiedenen Hefearten

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Wissenschaftler der Fakultät Biologie der TU Dresden und des Kurt-Schwabe-Instituts für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. wollen in dem gemeinsamen Projekt ISAr einen neuartigen biologischen Hefezellen-basierten Ganzzellsensor zum Nachweis von Arzneimittelrückständen in Böden und Abwässern entwickeln.

Das Projekt wird durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) und den Freistaat Sachsen gefördert.

Der Wirkstoff Diclofenac ist eines der weltweit am häufigsten verbreiteten Medikamente zur Entzündungshemmung. Bei oraler Gabe von Diclofenac werden 60 - 70 % des Wirkstoffes über den Urin wieder ausgeschieden. So gelangt der Wirkstoff in das Abwasser und kann bereits in geringen Konzentrationsbereichen einen negativen Einfluss auf die Umwelt haben, beispielsweise zu Schädigungen der Kiemen und Nieren bei Fischen führen.

In dem Kooperationsprojekt "Implementierung eines Hefe-Pheromon-basierten Signalverstärkersystems zum Umweltmonitoring von Arzneimittelrückständen in Wässern (Akronym: ISAr) wollen die Wissenschaftler der Arbeitsgruppe "Biologische Sensor-Aktorsysteme" der TU Dresden gemeinsam mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. (KSI Meinsberg) einen nachhaltigen und kostengünstigen Hefezellen-basierten Ganzzellsensor zur Detektion von Diclofenac in umweltrelevanten Konzentrationen in Oberflächen und Abwässern entwickeln. Der Detektor basiert auf immobiliserten Hefezellen in einer geeigneten technischen Ausleseeinheit und soll zukünftig als schnelle, vor Ort einsetzbare Alternative zu den bisherigen aufwendigen labordiagnostischen Verfahren zum Einsatz kommen.

Das System beruht auf Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae, S.c.), die bei Anwesenheit von Diclofenac ein Fluoreszenzprotein bilden. Zur robusten technischen Auslesung muss das entsprechende Fluoreszenzsignal aber verstärkt werden. Hierfür arbeitet das Team der TU Dresden um Dr. Kai Ostermann an der der Implementierung eines innovativen, intrinsischen, zellbasierten Verstärkungssystems, mit dem eine deutliche Verstärkung des Fluoreszenzsignals erreicht werden soll. "Mit dem im vorherigen Projekt BioSAM entwickelten Messaufbau können wir Diclofenac in einem Bereich von 5 - 50 μM detektieren.

Die Sensitivität dieses Systems ist jedoch noch zu gering, um die im Abwasser oder Oberflächenwasser nachzuweisenden Konzentrationen an Diclofenac detektieren zu können. Daher wollen wir die Sensitivität der Diclofenac-Detektion mittels Reporter-Hefen erhöhen, um den nachzuweisenden Konzentrationsbereich soweit abzusenken, dass umweltrelevante Diclofenac-Konzentrationen erkannt werden können. Dafür werden wir zunächst umfangreiche Untersuchungen zur Modulation der Zell-Zell-Kommunikation und Signalverstärkung mittels des von uns erstmalig entwickelten und patentierten Hefe-Pheromon-basierten Systems einer gesteuerten Zell-Zell-Kommunikation vornehmen. Wenn eine Reporter-Hefe vielen anderen Hefezellen verlässlich kommuniziert, dass sie Diclofenac detektiert hat und die anderen Hefezellen dadurch angeregt werden, zu fluoreszieren, können wir eine stabile Signalverstärkung erreichen", erläutert Ostermann.

Prof. Michael Mertig und sein Team am KSI Meinsberg werden im Anschluss die dabei erreichten Ergebnisse erstmals in einen realen Demonstratoraufbau, der für Vor-Ort-Messungen geeignet ist, sensorisch-technisch umsetzen. "Durch die Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit könnte ein solcher Detektor an verschiedenen Stellen vorteilhaft zum Einsatz kommen, unter anderem zur Überwachung der Abwässer von Krankenhäusern und Altenheimen, der Pharmaindustrie sowie in regionalen Kläranlagen", beschreibt Prof. Mertig das Ziel des Projekts.

Quelle: Technische Universität Dresden