Das WIN-Kolleg

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fluoreszierenden, schwarzen Stellen detektiert und durch Kolokalisation mit bekann-
ten Markerproteinen wie dem Aktin-bindenden Protein Cortactin mit Invadopodi-
en korreliert werden. Der „klassische“ Invadopodien-Assay erfordert somit eine
genaue Analyse jeder einzelnen Zelle. Hierbei werden Zellen mit mindestens einer
nicht-fluoreszierenden Stelle unter der Zelle oder nahe des Zellrandes als Tumorzel-
len gezählt, die ECM abbauen. Die Auswertung der mikroskopischen Bilder kann
bisher nicht automatisiert werden, so daß nur semi-quantitative Aussagen nach müh-
samer und zeitraubender Arbeit erhalten werden. Aus diesem Grund möchten wir
eine neue Meßmethode auf Basis eines optischen Biosensors entwickeln.
Biosensoren sind in sich geschlossene integrierte Systeme, die eine spezifische
quantitative oder halb-quantitative analytische Information liefern und aus biologi-
schem Erkennungsmerkmal (biologische Komponente, z.B. biochemischer Rezep-
tor) und einem Transducer bestehen. Eine biologische Erkennungsreaktion des
Rezeptors wird am Transducer in ein elektronisch verwertbares Signal verwandelt.
Biosensoren detektieren chemische Verbindungen oder Reaktionen in komplexen
Gemischen in Echtzeit, ohne dass Markierungssubstanzen eingesetzt werden müssen.
Sie ermöglichen eine einfache, schnelle und kostengünstige Messung von Analyten
in den Bereichen Umweltanalytik, Biotechnologie und Medizin. In der biomedizi-
nischen Forschung werden häufig Biosensoren für die Charakterisierung und Quan-
tifizierung von Bindungsreaktionen eingesetzt, die auf Oberflächenplasmonenreso-
nanz (SPR = surface plasmon resonance) beruhen. Oberflächenplasmonen sind elektro-
magnetische Wellen, die sich entlang einer Grenzfläche, z.B. Metall/Dielektrikum
oder Metall/Vakuum, ausbreiten. Sie reagieren sehr empfindlich auf kleinste Ände-
rungen des Brechungsindexes in einer Schicht von einigen 100 nm Tiefe über dem
Metallfilm. Für die Quantifizierung des ECM-Abbaus werden wir einen Biosensor
nutzen, der aus einem Glasträger, einem dünnen Goldfilm und einer Schicht ECM
besteht. Auf diesem Sensor werden Tumorzellen kultiviert, die die ECM abbauen
und dadurch den Brechungsindex entlang der Grenzfläche Metall/Zellmedium ver-
ändern. Die daraus resultierende Veränderung der Oberflächenplasmonenresonanz
wird dann optisch detektiert. Mit dieser Meßmethode kann die Invadopodienbil-
dung und ECM-Degradation in Echtzeit verfolgt und auf einfachem Wege quanti-
fiziert werden. Die erfolgreiche Entwicklung des optischen Biosensors ermöglicht
damit die schnelle Identifizierung von Schlüsselproteinen und Signalwegen der
Tumorzellinvasion.
Im Jahr 2009 wurde eine Methode zur Herstellung von Biosensoren durch
Einsatz von ausschließlich chemischen Methoden entwickelt. Die einzelnen Her-
stellungsschritte sind in Abbildung 1 gezeigt.
Der optische Biosensor besteht aus einem Goldfilm mit periodisch angeord-
neten Löchern und wurde durch Kombination von kolloidaler Lithographie und
nasschemischenVerfahren hergestellt. Hierfür wurden im ersten Schritt sogenannte
Hydrogelkugeln auf einem Glasträger abgelegt, die aufgrund ihrer besonderen
Eigenschaften nach dem Eintrocknen em Muster von gleich großen Kugeln mit
einem definierten Abstand auf der Glasoberfläche ausbilden (III). Dieses Muster aus
Polymerkugeln dient als Maske für die Herstellung des Goldfilms. Hierfür werden