(12. September 2012) Antikörper sind das Mittel der Wahl, wenn man Proteine selektiv detektieren möchte. Komplizierter wird es, wenn man es auf kleinere Moleküle abgesehen hat und auch noch ein schnelles Resultat vor Ort haben will. Polizei, Zoll und Flughafenbetreiber sind indes an genau solchen Antikörper-basierenden Systemen interessiert.
Zügig wird der Verdächtige in einen abgetrennten Bereich des Flughafens abgeführt, um die anderen Passagiere nicht aufzuschrecken oder gar zu gefährden. Zwar findet man keine Bombe in seinem Gepäck, doch wie sich im Verhör herausstellen wird, hatte der Mann zwei Tage zuvor mit TNT gearbeitet. Winzige Spuren des Sprengstoffs an seinem Jackett haben ihn beim Routinescan überführt, der Sicherheitsdienst griff sofort zu.
So oder so ähnlich könnte es irgendwann einmal an einem modernen Flughafen zugehen. Nichts und niemand käme dann mehr an Bord eines Flugzeugs, ohne vorher auf sämtliche Gefahrstoffe hin gescannt worden zu sein. Dabei, so die Wunschvorstellung, werden schon einzelne Moleküle erkannt, gleichzeitig ist ein falscher Alarm so gut wie ausgeschlossen.
Alarm-Molekül fürs Immunsystem
Zugegeben, eine solche Art der Sicherheitskontrolle ist bislang noch Science Fiction. Doch die Natur kennt Techniken, mit der sich Moleküle in geringsten Konzentrationen mit hoher Spezifität identifizieren lassen. Ein solches Werkzeug ist das Immunsystem. Können Antikörper helfen, Terroristen und Drogendealer zu überführen und Anschläge zu verhindern?
Michael Weller leitet den Fachbereich „Proteinanalytik“ bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin. Eines seiner Forschungsfelder ist die Entwicklung von Antikörpern, die an Sprengstoffe binden. Erst 2011 gab seine Arbeitsgruppe die Herstellung eines neuen Immunreagenzes gegen Acetonperoxid (TATP) bekannt (Biosensors 2011, 1(3):93-106). TATP wird nicht für den Einsatz in kommerziellen Waffen produziert, da es sehr reaktiv ist und sich kaum sicher lagern oder transportieren lässt. Doch lässt sich dieser Sprengstoff im MacGyver-Stil aus Haushaltsmitteln herstellen, was ihn für Terroristen leicht zugänglich macht.
Nun sind Antikörper zwar sehr gut darin, spezifisch an andere Proteine zu binden, doch TATP ist viel kleiner als die Moleküle, auf die das Immunsystem normalerweise anspringt. „Wenn ich einem Versuchstier TATP injiziere, dann passiert immunologisch nichts“, schildert Weller das Problem. Trotzdem können auch kleine Moleküle oder sogar einzelne Metallionen wie Nickel indirekt eine Immunreaktion auslösen, indem sie an Proteine binden oder mit diesen einen Komplex bilden und somit dessen Struktur verändern. Man bezeichnet eine solche niedermolekulare Substanz dann nicht als Antigen, sondern als Hapten.
Die Herausforderung besteht also darin, TATP so an ein Protein zu binden, dass eine geeignete Immunantwort induziert wird. Weller verwendet Rinderalbumin als Träger, um TATP dem Immunsystem zu präsentieren. „Der Knackpunkt an der Sache ist, dass man dabei immer auch einen Teil der Struktur zerstört und sich das Hapten nachher vom eigentlichen Zielmolekül, das man nachweisen will, unterscheidet“, so Weller. Es genügt also nicht, am Ende Antikörper vorliegen zu haben. Die Antikörper müssen auch das TATP alleine erkennen, und nicht bloß das an Rinderalbumin gebundene Derivat.
„Ich bin ja von der Ausbildung her Chemiker“, erklärt Weller, „und daher betrachten wir das Ganze auch immer von der chemischen Struktur aus.“ Weller möchte also nicht einfach blind herumprobieren, um irgendwann einmal brauchbare Antikörper zu ernten, sondern TATP gezielt so an das Trägerprotein binden, dass seine wesentlichen Eigenschaften erhalten bleiben. „Unser Ziel ist es, zu designen“, fasst Weller zusammen.
Angemessen selektiv
Für die Studie wurden Kaninchen mit TATP-Rinderalbumin-Derivat immunisiert. Die gewonnenen Seren enthalten dabei jeweils ein Gemisch verschiedener TATP-selektiver Antikörper und sollen nun bei Analyseverfahren zum Einsatz kommen. Allerdings sind diese polyklonalen Antikörper in vielen Fällen nur zweite Wahl. Der Grund: Man kann nicht beeinflussen, welche Immunglobuline als Immunantwort produziert werden. Jede Immunisierung löst eine einmalige und nicht exakt reproduzierbare Immunantwort aus.
Selektiert man hingegen einen einzelnen B-Lymphozyten aus der Milz oder dem Blut, der einen Antikörper mit besonders guten Bindeeigenschaften synthetisiert, so kann man diesen später in Zellkultur herstellen und hat eine gleich bleibende Qualität. Daher werden für viele Anwendungen solche monoklonalen Antikörper bevorzugt. Weller betont aber, dass ein polyklonaler Antikörper qualitativ nicht unbedingt schlechter sein muss. Monoklonale Antikörper lassen sich am kostengünstigsten über die Immunisierung von Mäusen produzieren. Doch Wellers Ergebnisse zeigen, dass die polyklonalen Antikörper der Kaninchen verglichen mit denen aus der Maus eine um den Faktor Tausend bessere Affinität zum TATP aufweisen.
Warum also einen schlechteren Antikörper nehmen, nur weil dieser monoklonal ist? Die Reproduzierbarkeit eines polyklonalen Serums in verschiedenen Individuen einer Tierart sei zudem besser als oft behauptet, so Weller. „Wenn man das gleiche Immunogen hernimmt, dann kommt auch ein Serum mit ähnlichen Eigenschaften heraus.“
Nicht immer geht es darum, Antikörper mit der größtmöglichen Selektivität für ein bestimmtes Molekül herzustellen. Weller weiß aus seiner Zeit als Umweltanalytiker, wo er sich auch mit der Beseitigung von Altlasten beschäftigte – etwa mit Sprengstoff aus dem Zweiten Weltkrieg kontaminierte Böden – dass das gar nicht immer erwünscht ist. Ein gruppenselektiver Antikörper ist hier meist viel besser geeignet, da sich diese Sprengstoffe und deren Abfallprodukte über die Zeit chemisch verändern oder technische Gemische darstellen. Nur so kann die Kontamination auch dann aufgespürt werden, wenn sich die Chemikalie bereits verändert hat.
Gegenüber chemischen Verfahren haben Antikörper zudem den Vorteil, dass sie komplexe Strukturen erkennen. Klassische Analyseverfahren springen dagegen oft nur auf eine einzelne chemische oder physikalische Eigenschaft des Analyts an. Falsch positive Resultate können die Folge sein. „Besonders heikel ist das beim TATP, denn viele analytische Ansätze detektieren diesen Sprengstoff über die Peroxidgruppen“, so Weller, „und die kommen ja auch in Waschmitteln, Haarbleichmitteln und Kosmetikartikeln vor, daher können Sie so etwas am Flughafen nicht brauchen.“
Auf die Verwendung monoklonaler Antikörper hat sich Nicole Raven am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Aachen spezialisiert. Sie beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Antikörpern gegen Trinitrotoluol, besser bekannt als TNT. Dabei ist sie mit ähnlichen Problemen konfrontiert wie Weller, denn TNT alleine löst keine Immunreaktion aus. „Außerdem ist TNT toxisch, daher arbeiten wir bei der Immunisierung der Mäuse mit dem strukturell ähnlichen TNP, das an ein Trägerprotein gekoppelt wird“, erläutert die Forscherin. Ein kommerziell erhältlicher monoklonaler Antikörper gegen TNT wurde bereits in den 90er Jahren entwickelt, doch Raven und ihre Kollegen möchten gerne unabhängig von fremden Herstellern und Lizenzkosten sein. „Dieser Antikörper wird von einer US-Firma vertrieben und läuft bei unseren Tests immer als Kontrolle mit“, so Raven, „und da stellen wir fest, dass unser Antikörper gegen TNT mindestens genauso sensitiv ist, wenn nicht sogar ein bisschen besser.“
Drogenschnelltest für die Handtasche
Die größere Herausforderung sieht Raven aber in der Entwicklung eines brauchbaren Detektionssystems. Prinzipiell sind Antikörper geeignet, selbst kleinste Mengen eines Antigens aufzuspüren. Doch wer selbst schon im Labor Antikörperfärbungen durchgeführt hat, weiß, wie aufwändig und nervtötend es sein kann, bis man nach endlosen Wasch- und Inkubationsschritten endlich etwas sehen kann. Am Flughafen kaum praxistauglich.
Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen man mehr Zeit hat, etwa wenn es um Altlasten geht oder Kontaminationen im Trinkwasser nachgewiesen werden sollen. Doch auch dann sollte ein Indikatorsystem zumindest in der Anwendung leicht handhabbar sein, ohne dass man ein ganzes Labor dabeihaben muss. Derzeit arbeitet die Aachener Gruppe an der Entwicklung eines Immunodetektionssystems, das sich direkt vor Ort einsetzen lässt. Details hierzu kann Raven derzeit aber noch nicht offenlegen.
Für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Bereichen oder auch für eine erste Bestandsaufnahme am Tatort geht es meistens nicht darum, die exakte Menge einer verbotenen oder gefährlichen Substanz zu bestimmen. Man möchte zunächst einmal wissen, ob ein bestimmter Stoff überhaupt vorhanden ist und benötigt daher vor allem eine zuverlässige Methode für den qualitativen Nachweis. Ein hochsensibler Teststreifen beispielsweise, der ohne lange Wartezeiten mit „ja“ oder „nein“ antwortet, wäre hier das Mittel der Wahl. Genau solche Teststreifen vertreibt die Firma Securetec Detektions-Systeme. Der Biologe Sebastian Klaus leitet dort die Abteilung für Forschung und Entwicklung, wobei der Fokus seiner Arbeit jedoch nicht auf Spreng-stoffen, sondern auf der Detektion von Drogen liegt. „Unsere Kunden sind Polizei, Zoll und Unternehmen, die ihre Mitarbeiter im Rahmen von Arbeitssicherheitsvorschriften auf Drogenkonsum testen“, so Klaus.
Analysieren lassen sich einerseits Speichelproben, beispielsweise um im Rahmen von Straßenverkehrskontrollen die Fahrtüchtigkeit zu überprüfen, andererseits können auch Oberflächen analysiert werden, was für den Zoll interessant ist. Will man wissen, ob ein Verdächtiger Drogen im PKW mitführt, wischt man mit einem speziellen, angefeuchteten Probennehmer über Gegenstände wie Koffer, Taschen oder Sitzbezüge. Dieser Probennehmer wird direkt in eine Testkassette eingerastet, wodurch hängengebliebene Partikel auf den Teststreifen, den so genannten „DrugWipe“, übertragen werden. „Nach drei bis acht Minuten haben Sie ein Ergebnis“, erklärt Klaus.
Das Analyseprinzip ist vergleichbar mit einem modernen Schwangerschaftsschnelltest und wird als Lateralflusstechnologie bezeichnet. Die für die nachzuweisende Droge spezifischen Antikörper sind an winzige Goldpartikel gebunden, deren Durchmesser etwa 40 nm beträgt. Wird der Test durch Flüssigkeitszufuhr gestartet, fließen die Goldpartikel zusammen mit der Probe über den Teststreifen. Dabei gelangen sie zunächst in einen Bereich des Teststreifens, der von außen nicht sichtbar ist. Hier sind Moleküle der Droge, die man nachweisen möchte, am Teststreifen fixiert, binden Goldpartikel mit nicht besetzten Antikörpern und hindern diese damit am Weiterfluss. Befindet sich die gesuchte Droge in der Probe, so gibt es aber auch Goldpartikel, deren Antikörper bereits mit Molekülen besetzt sind und die daher nicht festgehalten werden können. Diese Partikel wandern nun weiter bis zu einem Bereich, der über ein Sichtfenster in der Kassette von außen zu sehen ist. Hier werden die Goldpartikel dann von einem sekundären Antikörper festgehalten und führen zu einer charakteristischen Rotfärbung.
„Wenn Sie eine rote Linie im Sichtfenster des Tests sehen, dann ist der Test positiv“, fasst Klaus die simple Handhabung des DrugWipe zusammen. Natürlich könne man auch Hunde einsetzen und so noch schneller und ganz ohne Wischprobe zu einem Ergebnis kommen. Klaus gibt aber zu bedenken, dass an Drogenhunden auch hohe Haltungs- und Personalkosten hängen. Denn schließlich brauche man nicht nur einen Hundeführer, sondern man müsse die Tiere zuvor erst trainieren und tagtäglich versorgen.
„So ein Drogenhund kostet mehrere zehntausend Euro in der Ausbildung“, resümiert Klaus. Außerdem sei die Hundenase nur dann hochsensibel, wenn der Hund ausgeruht sei und in den letzten Stunden keine Drogen erschnüffelt habe. „Unsere Teststreifen können Sie hingegen jederzeit und überall verwenden.“
Verräterische Fingerabdrücke
Für den Einsatz von Antikörpern in der Kriminalistik scheinen der Fantasie kaum Grenzen gesetzt. David Russel von der Universität von East Anglia und Pompi Hazarika von der Universität Manchester befassten sich in einem kürzlich erschienenen Review mit der Analyse von Fingerabdrücken (Angew Chem Int Ed Engl 2012, 51(15):3524-31). Dabei werden verschiedene Verfahren erläutert, wie man mit Hilfe von Antikörpern und geeigneten Fluoreszenzmarkern oder den oben erwähnten Goldpartikeln Fingerabdrücke sichtbar machen kann. Auf diese Weise könnte man einen Tatort gezielt nach Fingerabdrücken von Personen absuchen, die mit einer Droge wie Kokain in Kontakt waren. Ein anderes Beispiel: Über das Abbauprodukt Cotinin, das mit dem Schweiß ausgeschieden wird, lassen sich Raucher anhand ihrer Fingerabdrücke identifizieren. Prinzipiell können solche Methoden für beliebige Antikörper modifiziert werden. „Wenn man einen guten Antikörper hat, ist der Rest eigentlich wie ein Baukasten“, so Klaus.
Dennoch, bei der Entwicklung biologisch basierter Detektionssysteme gibt es noch vieles zu optimieren, wenn es um einen schnellen und unkomplizierten Einsatz geht. Selbst ein routinemäßiger Wischtest am Flughafen, der für jeden Passagier nur fünf Minuten in Anspruch nähme, wäre logistisch kaum umsetzbar.
Michael Weller erhofft sich in diesem Zusammenhang Fortschritte in der Entwicklung einer künstlichen Nase für Sprengstoffe und weist darauf hin, dass viele Tiere selbst einzelne Pheromonmoleküle hochselektiv erkennen und sofort darauf reagieren können. Eine solche künstliche Nase sollte im Idealfall natürlich nicht nur für einen einzigen Gefahrenstoff oder ein verbotenes Betäubungsmittel sensibel sein, sondern ein ganzes Portfolio von Substanzen zuverlässig erkennen und melden können.
Dass solche Systeme prinzipiell möglich sind, beweist die Natur. Doch bis man hierfür auch technisch realisierbare Lösungen parat hat, dürfte noch der ein oder andere Drogenkoffer unbemerkt über das Gepäckfließband rollen.
Mario Rembold
Fotos: Securetec / dog4dogs
(Der Artikel ist im Special „Antikörper“ der aktuellen Laborjournal-Ausgabe 9/2012 erschienen.)