Schlussbericht - Markierungsfreie, hoch-parallelisierte Charakterisierung einzelner Biopartikel für die Entwicklung neuartiger Medikamente (JUNO)

Abstract

Das Verbundprojekt „Markierungsfreie, hoch-parallelisierte Charakterisierung einzelner Biopartikel für die Entwicklung neuartiger Medikamente“ (Akronym: JUNO) wurde im Rahmen der Bekanntmachung „Enabling Start-up – Unternehmensgründungen in den Quantentechnologien und der Photonik“ gefördert. Das Konsortium bestand aus dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (Erlangen, Division Nano Optics, Prof. Vahid Sandoghdar) sowie der Interherence GmbH, ebenfalls mit Sitz in Erlangen. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Detektionssystems auf Basis photonischer Chips zur markierungsfreien Detektion und Charakterisierung einzelner Bionanopartikel (BNPs) im Größenbereich von 2 bis 100 Nanometer unter physiologischen Bedingungen. BNPs – etwa Proteine, Viren oder extrazelluläre Vesikel – zeichnen sich durch eine hohe funktionelle Spezifität und biophysikalische Stabilität aus und spielen eine zunehmend zentrale Rolle in modernen Therapieformen wie Antikörper-basierten Wirkstoffen, Gentherapien und der Impfstoffentwicklung. Gleichzeitig ist ihre Charakterisierung aufgrund ihrer Komplexität technisch anspruchsvoll und kostspielig. Etablierte Analysemethoden arbeiten meist im Bulk, erfordern chemische Modifikationen wie Fluoreszenzmarkierungen oder setzen nicht-physiologische Bedingungen wie Vakuum voraus. Es fehlt daher an einem schnellen, einfachen und nativen Analysewerkzeug für die Charakterisierung einzelner BNPs.

Das Messprinzip basiert auf einer fundamental neuen Form der interferometrischen Streulichtmikroskopie (iSCAT). Dabei werden integrierte photonische Wellenleiter genutzt, um die Partikel optisch anzuregen und gleichzeitig das für den interferometrischen Kontrast erforderliche Referenzfeld bereitzustellen. Dieses semimonolithische Konzept ermöglicht eine robuste, markierungsfreie und massenaufgelöste Einzelpartikeldetektion in wässriger Lösung. Wir bezeichnen diese chipbasierte Variante des iSCAT-Messprinzips im Folgenden als interferometric chip microscopy (iCM). Dabei erzeugt ein photonischer Wellenleiter sowohl die optische Anregung der Partikel als auch das für iSCAT benötigte Referenzfeld. Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines funktionsfähigen Demonstrators, der sowohl physikalisch charakterisiert als auch in biophysikalischen Experimenten validiert werden sollte. Dieser Demonstrator bildet die Grundlage für spätere Produkt- und Applikationsentwicklungen mit dem langfristigen Ziel, die Effizienz in der frühen Phase der Wirkstoffforschung (Early Discovery) zu steigern und eine schnelle, präzise Qualitätskontrolle von BNP-basierten Impfstoffen sowie gentherapeutischen Vektoren zu ermöglichen.

Im Teilprojekt „Plattform“ wurden die Kerntechnologien der chipbasierten interferometrischen Streulichtmikroskopie erforscht und die für die Partikeldetektion erforderlichen Systemkomponenten entwickelt. Ziel war es, die Massenauflösung zu erhöhen und die Technologie in einen Demonstrator zu überführen, mit dem anwendungsrelevante BNPs untersucht und die Leistungsfähigkeit des Analysesystems demonstriert werden kann.

Im Verlauf des Vorhabens gelang es erstmals, mit chipbasierter interferometrischer Streulichtmikroskopie einzelne Proteine unterhalb von 70 kDa sowie größere BNPs wie AAV-Vektoren markierungsfrei, in wässriger Lösung und massenaufgelöst zu detektieren. Simulationen in Kombination mit ersten Tests zeigen, dass durch weitere Optimierungen des Chips die Detektionsgrenze bis unter 20 kDa gesenkt werden kann und eines der angestrebten Projektziele in einem Folgeprojekt erreichbar ist. Die Arbeiten umfassten das Design und die Fertigung der photonischen Chips, den Aufbau eines Demonstrators inklusive Temperaturregulierung, die Kalibrierung des optischen Systems sowie die Entwicklung der Datenanalyse und -visualisierung. Das Vorhaben wurde aus formalen Gründen vorzeitig beendet. Mit diesen Ergebnissen konnte erstmals gezeigt werden, dass sich einzelne Proteine mittels interferometrischer Streulichtmikroskopie über eine großflächige optische Anregung durch einen photonischen Chip detektieren lassen. Dieses Konzept ist fundamental neu und eröffnet völlig neue Möglichkeiten, hochsensitive Einzelmolekülmikroskopie in industrielle Anwendungsfelder zu übertragen. Wir betrachten diese Technologie als Plattformansatz, der nicht nur im Bereich der markierungsfreien BNP-Charakterisierung in der Biopharma Anwendung finden kann, sondern auch erhebliche Perspektiven für diagnostische Fragestellungen bietet.