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To diagnose diseases correctly requires not only trained and skilled personnel, but also cost-intensive and complex equipment. Rapid tests can help with the initial evaluation, but result generation can also take up to several hours, depending on the test system. At this point, novel bioresponsive diagnostic systems are used, responding to the disease related shift of biological processes. They monitor changes in the biological environment and can react to them e.g. with the release of substances. This can be used in drug delivery formulations but can also help to diagnose diseases occurring in the oral cavity and inform patients of their state of health. The tongue is herein used as a 24/7 available detector.
In section I of this work, the foundation for the development of these diagnostic systems was laid. A suitable flavoring agent was found, which is stable, can be coupled to the N-terminus of peptides and has a strongly conceivable taste. For the optimization of the protease-sensitive linker (PSL), an analytical system was established (PICS assay), which determines protease-specific cleavable amino acid sequences. In order to replace the PMMA particles previously required, an acetyl protecting group was introduced N-terminally as it protects peptides and proteins in the human body from degradation by human aminopeptidase. The new synthesized flavor was examined with a NIH cell line for cytotoxicity and with an electronic tongue setup for its bitterness.
Section II deals with the structure of a system which detects severe inflammations in the oral cavity, e.g. PA. The established PICS assay was used to confirm the previously used PSL sequence in its application. Using solid phase peptide synthesis, 3 linkers were synthesized which respond to the elevated MMP concentrations present in inflammation. The resulting peptides were acetylated and coupled with HATU/DIPEA to the modified denatonium. Cutting experiments with MMPs over different concentration and time ranges confirmed the response of the diagnostic sensor to these enzymes. The obtained construct was examined for cell toxicity by WST assay. The masked bitterness of the sensors was confirmed by an electronic tongue setup.
To address non-human proteases (and thereby infections), section III focuses on the establishment of detection system of a cysteine protease SpeB expressed by Streptococcus pyogenes. The in-house expression of SpeB using E. coli cells was established for this purpose. An analysis of the SpeB cleavage sites was performed using a PICS assay setup. Four constructs with different PSL were synthesized analogous to section II. Cleavage experiments with the expressed and purified SpeB showed a response of two constructs to the protease. In addition, a system was established to quantify the concentration of SpeB in human saliva using western blot technique with subsequent quantification.
In section IV a compound was synthesized which can now be coupled to a flavor. The final coupled construct is able to detect present NA activity specifically from influenza A and B. The market for existing influenza diagnostics was explored to determine the need for such a system. A neuraminic acid was modified in positions 4 and 7 and protected in such a way that subsequent coupling via the hydroxy-group in position 2 was selectively possible.
In summary, this results in a diagnostic platform that can be used anywhere, by anyone and at any time. This represents a new dimension in the rapid diagnosis of inflammations and bacterial or viral infections.
Nachdem im Rahmen einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Missionsärztlichen Institut in Würzburg und dem Centre de Santé in Gikonko, Ruanda bereits im Vorfeld dieser Arbeit erhebliche Probleme mit falsch positiven HIV-Schnelltestergebnissen aufgefallen waren, wurden 162 Patienten bezüglich ihres HIV-Status untersucht und bei einer kleineren Gruppe (46 Patienten) eine eingehende serologische Analyse durchgeführt. Dabei waren Ziele dieser Arbeit (1) den HIV-Status aller in Gikonko als HIV-positiv geführten Patienten zu überprüfen, um so das diagnostische Problem genauer einschätzen zu können; (2) die Reaktionsmuster der Tests zu analysieren, um mögliche Schwachpunkte der einzelnen Schnelltests zu finden; (3) nach Ursachen sowie potentiellen Kreuzreaktivitäten für uneindeutige oder falsch positive Testergebnisse zu suchen; (4) Risikogruppen zu definieren, in denen HIV-Schnelltests weniger aussagekräftig sind und (5) die angepasste HIV-Diagnostik in einigen ausgewählten Fällen mit genaueren Verfahren in Deutschland zu überprüfen und nach weiteren serologischen Auffälligkeiten zu suchen. Hierfür wurden Blutproben mithilfe der im ruandischen Testalgorithmus verwendeten Schnelltests (DetermineTM, UnigoldTM, CapillusTM, First ResponseTM) vor Ort auf HIV getestet. Von Patienten mit zu Voruntersuchungen abweichenden bzw. wider-sprüchlichen Ergebnissen wurden Serumproben nach Deutschland zu genaueren serologischen Analyse transportiert. Diese umfasste die virologische Untersuchung auf HIV mittels ELISA, Western Blot (im positiven Fall zur Bestätigung) sowie PCR, eine immunologische und autoimmunologische Untersuchung (Bestimmung von IgG, IgM, Rheumafaktor sowie ANCA), sowie eine parasitologische Untersuchung (Bestimmung von Malaria-Antikörper) und die Messung von Werten der klinischen Chemie (Kreatinin, GOT, GPT). Ergänzt wurde die serologische Analyse durch die Erhebung von Daten aus der Kartei des Krankenhauses sowie der Schwangerenambulanz in Gikonko. Es zeigte sich, dass unter Verwendung von HIV-Schnelltests bei nur 79% der Patienten (n = 112) der HIV-positive Status bestätigt werden konnte, 15% (n = 21) erhielten ein klar negatives Ergebnis und in 6% (n = 8) führten die HIV-Schnelltests zu keinem eindeutigen Ergebnis. Bei der virologischen Untersuchung in Deutschland wurden alle negativen Ergebnisse bestätigt; unter den acht uneindeutig getesteten Seren wurde in zwei Fällen eine HIV-Infektion nachgewiesen. Um Schwachpunkte oder Anfälligkeiten einzelner Tests auf Störfaktoren aufzeigen, wurden die Reaktionsmuster der HIV-Schnelltests entsprechend der genaueren serologischen Untersuchungen dargestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass besonders DetermineTM und CapillusTM ursächlich für uneindeutige Testergebnisse waren. Bei der genaueren Analyse von Seren von Patienten mit zu Voruntersuchungen abweichenden bzw. widersprüchlichen Ergebnissen wurden bei 7% (n = 3) Rheumafaktoren und bei 16% (n = 5) ANCAs nachgewiesen. Außerdem zeigten 48% der Proben (n = 22) stark erhöhte IgM-Werte. Es waren wiederum vornehmlich die Tests DetermineTM und CapillusTM, welche Probleme bei der Testung der entsprechenden Seren aufwiesen. Der Einfluss zweier äußerer Faktoren hingegen war evident: Zum einen führte die Interpretationsvorschrift der Hersteller, jegliche Reaktion als positiv zu werten, zu vielen falsch positiven Ergebnissen und zum anderen genügten die zur Verfügung stehenden HIV-Schnelltests im ländlich gelegenen Gikonko, mit einer HIV-Prävalenz von 4%, den biomathematischen Anforderungen nicht. Die erhobenen Daten aus der Kartei des Centre de Santé erhärteten die Annahme, dass die Neutralität der interpretierenden Person durch eine verdächtige Familien- oder Eigenanamnese bzw. eine entsprechende Klinik gefährdet wird. Die Analyse der Kartei der Schwangerenambulanz zeigte eine signifikante Häufung falsch positiver Testergebnisse im letzten Trimenon.