Supramolecular Chemosensor and Assay Development in Aqueous Media

Die molekulare Diagnostik hat in den letzten Jahrzehnten durch die Möglichkeit der Früherkennung von Krankheiten und möglichen Risikofaktoren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Da Krankheiten häufig in direktem Zusammenhang mit einem gestörten Stoffwechsel stehen, liegt der Schwerpunkt dabei auf dem selektiven Nachweis und der Quantifizierung von Metaboliten (sog. Biomarkern) in physiologisch relevanten Konzentrationsbereichen. Aktuell basiert der Nachweis von Biomarkern meist auf zeit- und kostenintensiven instrumentellen Detektionsmethoden (HPLC-MS oder NMR). Eine vielversprechende Alternative dazu sind schnell ansprechende und einfach zu handhabende Chemosensoren, die auf dem Prinzip der molekularen Erkennung von Wirt•Gast Komplexen basieren. ... mehrDie Entwicklung von robusten Chemosensoren, die eine sensitive und selektive Detektion von Analyten in einem komplexen Medium wie beispielsweise Urin ermöglichen, stellt bisher jedoch eine Herausforderung dar.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Entwicklung neuer, robuster Chemosensorsysteme, die für den selektiven Nachweis biologisch relevanter Moleküle in wässrigen salzhaltigen Puffern und Biomedien verwendet werden können, vorangetrieben. Dabei wurden hauptächlich die makrozyklischen Cucurbit[n]urile eingesetzt. Durch die Entwicklung eines neuen Assaytyps (Guest Displacement Assay) zur Bestimmung der Bindungsaffinität von unlöslichen und schwach bindenden Gastmolekülen wurde ein tieferes Verständnis von der Wirt•Gast Wechselwirkung erlangt. Weiterhin wurde im Rahmen einer Konzept-Studie ein Array-basierter Sensor-Assay für den Nachweis kationischer und neutraler Analyten in wässrigen Lösungen entwickelt. In diesem kombinatorischen Ansatz wurden Chemosensoren mit unterschiedlichen Erkennungseinheiten eingesetzt, um verschiedene Wirkstoffe wie beispielsweise Narkotika voneinander zu unterscheiden. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Wirt-Gast-Chemie wurden im letzten Teil der Arbeit genutzt, um die Selektivität und Affinität von selbstassemblierten Chemosensoren zu verbessern. Durch das Design eines Rotaxan-basierten CB8•Farbstoff-Chemosensors konnte eine hohe Salzstabilität und eine damit verbundene Funktionalität des Chemosensors zur Detektion von Biomarkern in komplexen Medien erreicht werden. Der entwickelte Chemosensor ermöglichte die emissionsbasierte Detektion des Biomarkers Tryptophan im Hochdurchsatz-Screening-Format in Blutserum und Urin, sowie die Überwachung enzymatischer Reaktionen und die chiralitätsbasierte Untersuchung von Enantiomeren. Darüber hinaus konnten gedruckte Sensorchips mit oberflächenimmobilisierten Rotaxan-Microarrays für die fluoreszenzmikroskopische Tryptophan-Detektion hergestellt werden.

In recent decades, molecular diagnostics has become increasingly important for the early detection of diseases and possible risk factors. Here the focus is on the selective detection and quantification of metabolites (so-called biomarkers) in physiologically relevant concentrations since diseases are often directly related to a disturbed metabolism. Currently, biomarker detection is mainly based on time- and cost-intensive instrumental detection methods (HPLC-MS or NMR). Therefore, fast-responding and easy-to-use chemosensors based on the principle of molecular recognition of host•guest complexes are a promising alternative. ... mehrHowever, the development of robust chemosensors that allow for sensitive and selective detection of target analytes in a complex medium such as urine is so far challenging.
In this work, the development of new, robust chemosensor systems that can be used for the selective detection of biologically relevant molecules in saline buffers and biomedia was pursued. For this purpose, the macrocyclic cucurbit[n]urils were mainly used. First, a deeper understanding of the host•guest interaction was gained by developing a new type of assay ('guest displacement assay') to determine the binding affinity of insoluble and weakly binding guest molecules. Furthermore, an array-based chemosensor assay for the detection of cationic and neutral analytes in aqueous solution was developed as part of a concept study. In this combinatorial approach, several chemosensors with different recognition units were assembled to discriminate between various drugs, such as anesthetics, by cross-reactive detection. Using the gained more profound understanding of host-guest chemistry, the final part of the work aimed to overcome the reduced selectivity and affinity of previous self-assembled chemosensors. By designing a rotaxane-based CB8•dye chemosensor, the chemosensor's high salt stability and concomitant functionality for biomarker detection in complex media were achieved. The developed chemosensor enabled the emission-based detection of the biomarker tryptophan in high-throughput screening format in blood serum and urine, as well as the monitoring of enzymatic reactions and the chirality-based investigation of enantiomers. Furthermore, printed sensor chips with surface-immobilized rotaxane microarrays were prepared for fluorescence-based microscopic detection of tryptophan.