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In this work, the optimization of the immunochemical response of antibody-gated indicator delivery (gAID) systems prepared with mesoporous silica nanoparticles has been studied along various lines of system tailoring, targeting the peroxide-type explosive TATP as an exemplary analyte. The mechanism of detection of these gAID systems relies on a displacement of an antibody “cap” bound to hapten derivatives anchored to the surface of a porous hybrid material, allowing the indicator cargo stored in the mesopores to escape and massively amplify the analyte-related signal. Since our aim was to obtain gAID systems with the best possible response in terms of sensitivity, selectivity, and assay time, sera obtained from different immunization boosts were screened, the influence of auxiliary reagents was assessed, structural hapten modification (hapten heterology) was investigated, and various indicator dyes and host materials were tested. Considering that highly selective and sensitive immunological responses are best obtained with high-affinity antibodies which, however, could possess rather slow dissociation constants, leading to slow responses, the main challenge was to optimize the immunochemical recognition system for a rapid response while maintaining a high sensitivity and selectivity. The best performance was observed by grafting a slightly mismatching (heterologous) hapten to the surface of the nanoparticles in combination with high-affinity antibodies as “caps”, yielding for the first time gAID nanomaterials for which the response time could be improved from hours to <5 min. The materials showed favorable detection limits in the lower ppb range and discriminated TATP well against H2O2 and other explosives. Further optimization led to straightforward integration of the materials into a lateral flow assay without further treatment or conditioning of the test strips while still guaranteeing remarkably fast overall assay times.
Das EU-Projekt HOMER befasst sich mit den sogenannten Home Made Explosives (HMEs) und frei verfügbaren Rezepten für deren Herstellung. Diese Selbstlaborate spielen in der heutigen Zeit vor allem im Zusammenhang mit terroristischen Aktivitäten eine bedeutende Rolle. Informationen zu HMEs und ihrer Herstellung werden einfacher denn je über das Internet verbreitet. Hier knüpft das im 7. EU‑Forschungsrahmenprogramm finanzierte Projekt an und bezweckt, die im Internet verfügbaren Quellen auszuwerten und so die Informationslage für Sicherheitskräfte und Ermittlungsbehörden zu verbessern. Im Rahmen des Projektes wird eine automatisierte Suche von Rezepten im Internet entwickelt. Die gefundenen sowie die im Projekt generierten Informationen über HMEs sollen im Endergebnis in Form einer Software (Knowledge Management Platform) informationstechnisch nutzbar gemacht werden. Diese Datenbank soll auch für mobile Geräte zur Verfügung stehen. Der Schwerpunkt der Projektbeteiligung des Fachbereichs 2.3 Explosivstoffe der BAM liegt in der Bewertung der Rezepturen und der auf ihrer Grundlage hergestellten Laborate. Es wurden HMEs entsprechend der vorgefundenen Rezepte und unter Beachtung aller notwendigen Sicherheitsvorkehrungen hergestellt und anschließend sicherheitstechnisch geprüft und bewertet. Dabei wurden sowohl Handhabungsparameter wie die Empfindlichkeiten gegen Schlag, Reibung und thermische Einflüsse ermittelt, als auch die Leistungsparameter wie Detonationsgeschwindigkeit und Luftstoßdruckwirkung gemessen. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die genannte Datenbank ein und sollen beispielsweise Einsatzkräften vor Ort helfen, angemessene Schutzabstände zu ermitteln. Auch das Personal in Laboren der Kriminalämter profitiert von der zusammengetragenen Information über HMEs bei der Analyse von unbekannten Explosivstoffspuren.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und Charakterisierung der ers-ten Antikörper gegen Triacetontriperoxid (TATP), einem hoch empfindlichen und unkonventionellen (nicht-kommerziellen) Initialsprengstoff. Entscheidend dafür war die Synthese eines TATP-imitierenden Haptens, welches die typische nona-gonale Struktur des TATP mit seinen drei Peroxid- und sechs Methylgruppen nahezu perfekt nachbildet, aber den Vorzug einer zusätzlichen Carboxygruppe zur kovalenten Kopplung an Proteine aufweist. Dadurch konnte das TATP-Hapten an Rinderserumalbumin (BSA) gebunden werden, um ein immunogenes Konjugat zu erzeugen, welches die erfolgreiche Immunisierung zweier Säuge-tierarten, Maus und Kaninchen, ermöglichte.
Der Verlauf der In-vivo-Immunisierungen wurde durch die Analyse der Tier-seren in regelmäßigen Abständen mittels enzymgekoppeltem Immunoassay (ELISA) verfolgt. Die polyklonalen Antikörper beider Spezies waren ungewöhnlich selektiv gegenüber TATP. Jedoch unterschied sich die Affinität der Antikörper der zwei Spezies um das 5 000-fache, wobei die Kaninchenseren den Mausseren überlegen waren. Entsprechend war auch die mit Kaninchenserum erreichbare TATP-Nachweisgrenze von 0.01 μg L-1 deutlich besser im Vergleich zu 50 μg L-1, die mit Mausserum erzielt wurden. Der Messbereich des TATP-ELISA mit Kanin-chenserum deckte zudem mehr als vier Zehnerpotenzen ab, wie mittels Präzisi-onsprofil bestimmt wurde.
Die erhaltenen TATP-Antikörper aus Kaninchen stehen damit Anwendungen in Nachweissystemen für die sehr empfindliche Detektion von TATP zur Verfügung, die u. a. in sicherheitsrelevanten Bereichen zum Einsatz kommen könnten. Als erste Anwendung wurde ein TATP-ELISA realisiert, der im Rahmen dieser Arbeit ausführlich optimiert wurde. Außerdem wurden erste Schritte zur Entwicklung eines TATP-Schnelltests (LFA) unternommen. Weitere Biosensoren auf Grundla-ge der neu entwickelten TATP-Antikörper sind denkbar.