Neue Labortechnologie ermöglicht erstmals die Automatisierung der Massenspektrometrie, einer historisch aufwendigen, aber äußerst wertvollen Technik, die im Gesundheitswesen zur Überwachung von Hormon-, Arzneimittel- und anderen Substanzspiegeln im Körper eingesetzt wird.

Die von Roche-Wissenschaftler:innen entwickelte „Super Bead“-Innovation bringt die Massenspektrometrie ins Routinelabor. Dadurch können mehr Kliniken und Patient:innen weltweit von ihren Vorteilen profitieren.

Die Technologie vereinfacht nicht nur den komplizierten Testprozess, sondern macht ihn auch umweltfreundlicher, da viel weniger Plastikabfall entsteht.

Die Massenspektrometrie ist eine Technik zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Moleküle in einer Probe durch die Analyse ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften. Man kann sie sich wie einen extrem leistungsstarken Detektiv vorstellen, der genau sagen kann, welche Substanzen in einer Probe enthalten sind und auch wie viel. Die Massenspektrometrie ist extrem sensitiv und spezifisch und kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, von der Medizin und Umweltwissenschaft bis hin zur Lebensmittelsicherheit und Forensik. Im Gesundheitswesen kann sie Steroidhormone und Vitamine identifizieren und so bei der Diagnose von Krankheiten helfen. Auch die therapeutische Arzneimittelüberwachung sowie Drogentests sind mögliche Einsatzgebiete.

Ein Beispiel für ihre Anwendung könnte ein:e Patient:in sein, der kürzlich eine Organtransplantation erhalten hat und Immunsuppressiva einnimmt. Mit der Massenspektrometrie kann die therapeutische Zielkonzentration des Medikaments im Blut von Patient:innen getestet werden, um das Risiko einer Organabstoßung zu verringern und eine Überdosierung zu verhindern.

Diese Art von Nutzen ist ein Grund, warum Roche-Wissenschaftler:innen die Massenspektrometrie vereinfachen und allgemein zugänglicher machen wollten. Bisher war das Testverfahren vorwiegend ein manueller Prozess, der hochqualifiziertes und geschultes Personal erforderte. Er ist so komplex, dass er nur von einer limitierten Anzahl ausgewählter und spezialisierter Labormitarbeitenden durchgeführt werden kann.

Die Automatisierung des Test-Arbeitsablaufs umfasst mehrere chemische und biologische Innovationen sowie Innovationen in der Bioinformatik und Hardware- Entwicklung, die alle zusammenarbeiten. Aber sie wäre nicht ohne die Erfindung von paramagnetischen Partikeln möglich, auch bekannt als „Super Beads“.

Diese „Super Beads“ werden bei der Probenvorbereitung eingesetzt, bei dem die zu analysierende Zielsubstanz von weiteren Probenbenstandteilen getrennt werden muss. Sie haben einzigartige magnetische Eigenschaften und sind mit maßgeschneiderten Bindemolekülen an der Oberfläche ausgestattet. Diese ermöglichen, die Zielsubstanzen in Körperflüssigkeiten mit nur winzigen Mengen eines einzelnen Reagenzes zu binden. Der Trick war, poröse Beads mit Eintrittskanälen wie bei einem Schwamm zu entwerfen, bei denen nur die gewünschten Moleküle hineinkommen, während die anderen draußen bleiben.

Roche-Wissenschaftler:innen erfanden zwei Arten von Beads: Generische und Spezifische. Beide werden benötigt, um die Massenspektrometrie zu automatisieren. Generische polymerbeschichtete Beads binden mehrere Analyte. Präzisere, spezifische Beads sind jedoch erforderlich, um sehr niedrig konzentrierte Analyte wie Steroide und Vitamin D zu messen. Dies erfordert mit Antikörpern beschichtete Beads, die genau den gewünschten Analyten aus einer komplexen Patientenprobe extrahieren können.

Die auf paramagnetischen Partikeln basierende Probenvorbereitung benötigt nur Mikrogramme von Reagenzien und produziert somit viel weniger Plastikabfall. Im Laufe von neun Jahren würde die neue Technik in einem Arbeitsablauf schätzungsweise nur 2 Tonnen Partikelabfall im Vergleich zu ca. 2.000 Tonnen Plastikabfall bei Standardtechniken erzeugen.

“Der Entwicklungsprozess war ein Abenteuer”, sagt Heindl. „Das ist ein einmaliges Erlebnis aus chemischer Sicht. Es brauchte dafür Mut und Leidenschaft und wir waren nicht risikoscheu. Das ist wirklich unsere Art bei Roche.“

Die Bead-Technologie wurde über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren verfeinert, ursprünglich von einem Team von rund 10 Wissenschaftler:innen, die sich selbst liebevoll „The Beadles“ nannten. Letztendlich waren Hunderte von Wissenschaftler:innen daran beteiligt, das Ganze zu realisieren.

“The Beadles”, von links nach rechts: Fardah Shahab, Christoph Rauh, Melanie Auer, Alfred Szedlak, Pascal Frick, Ecem Cakmak, Daniel Smolin, Clara Mahalek und Martin Eduardo Silvestre