Projekt: Li+on Switch

Motivation

Laut der deutschen Gesellschaft für bipolare Störung (DBGS) sind 2,5 Millionen Menschen in Deutschland von einer bipolaren Störung betroffen. Bipolare Störungen können mit einer Lithiumtherapie behandelt. Insbesondere bei der Vermeidung von Suiziden zeigt die Therapie eine hohe Wirksamkeit. Da die Gefahr einer Intoxikation durch das Lithium besteht, muss eine regelmäßige Kontrolle des Lithiumspiegels im Blut erfolgen. In den ersten vier Wochen der Therapie erfolgt dies wöchentlich.

Logo des Li+on Switch Projektes

Ziel

Ziel unseres Projektes ist es, ein Testsystem zur Überprüfung des Lithiumspiegels zu entwickeln. Das Testsystem soll sich durch eine einfache Handhabung auszeichnen und verlässliche Ergebnisse liefern. Es soll den Patienten die Möglichkeit geboten werden, ihren Lithiumspiegel eigenständig Zuhause überprüfen zu können. Eine Intoxikation kann so frühzeitig erkannt und vorgebeugt werden.

Die Detektion

Zur Detektion des Lithiums verwenden wir einen kürzlich entdeckten Li+ Riboswitch. Riboswitches funktionieren im biologischen Kontext wie eine Art Schalter, mit dem Gene AN/AUS geschaltet werden können. Diesen Riboswitch können wir in unserem System dazu nutzen, dass in Anwesenheit von Li+ ein Signal erzeugt wird. Das Signal soll es uns ermöglichen, den Lithiumspiegel quantitativ zu bestimmen. Dazu ist es notwendig, dass wir therapeutische Konzentrationen zwischen 0,6 und 1,2 mM und toxische Konzentrationen > 1,5 mM im Blut messen können.

Anforderungen

  • Funktion des Riboswitch: Können wir die Detektion von Lithium reproduzieren? Die Funktion von Riboswitches ist von vielen Faktoren abhängig. Benachbarte Sequenzen können das Verhalten des Riboswitches beeinflussen.
  • Erzeugen und Messen eines quantitativen Signals: Der Riboswitch selbst liefert ein qualitatives Signal. Um die Konzentration des Lithiums im Speichel nachweisen zu können, benötigen wir ein geeignetes Reportersystem. Dieses muss zuverlässig funktionieren und reproduzierbare Ergebnisse liefern.
  • Entwicklung eines zellfreien Systems: Um das Testsystem von Zuhause aus anwendbar zu machen, darf es keine Mikroorganismen enthalten. Wir müssen daher ein definiertes System entwickeln, das außerhalb von Bakterien funktioniert.

Um diese Schwierigkeiten anzugehen, haben wir unseren Riboswitch angepasst und in Kombination mit mehreren Reportern unterschiedlicher Eigenschaften getestet. Details und eine genaue Beschreibung des Riboswitches sind in unserem Wiki zu finden.

Das Testsystem

Result with NanoLuc Reporter

Der Riboswitch in Kombination mit dem NanoLuc Reporter hat sich als beste Kombination für die Anforderungen an unser Testsystem herausgestellt. NanoLuc ist ein angepasstes Enzym, das ursprünglich aus der Tiefseegarnele Oplophorus gracilirostris stammt. Die Luciferase erzeugt ein Signal durch Biolumineszenz und zeichnet sich durch seine hohe Sensitivität, Stabilität und kleine Enzymgröße aus.

In einem zellfreien System konnten wir zeigen, dass wir in der Lage sind die für die Lithiumtherapie relevanten Konzentrationen zu messen. Jetzt gilt es, das System abzustimmen. Das abfallende Signal bei steigender Lithiumkonzentration deutet darauf hin, dass die Substratkonzentration zu gering ist. Dadurch wird bei höheren Lithiumkonzentrationen das Substrat schneller aufgebraucht und wir messen ein niedrigeres Signal. Eine Abstimmung der Subtratkonzentration könnte diesen Zusammenhang beheben.

Projekt Promotionsvideo

Referenzen

  1. Deutsche Gesellschaft für bipolare Störungen e.V. (DGBS). (2023, April 19). dgbs.de. dgbs.de/bipolare-stoerung/verlauf

  2. Lewitzka, U., Haußmann, R. Lithium - ein Update. InFo Neurologie 24, 44–53 (2022). doi.org/10.1007/s15005-021-2201-4

  3. Song J, Sjölander A, Joas E, Bergen SE, Runeson B, Larsson H, Landén M, Lichtenstein P. Suicidal Behavior During Lithium and Valproate Treatment: A Within-Individual 8-Year Prospective Study of 50,000 Patients With Bipolar Disorder. Am J Psychiatry. 2017 Aug 1;174(8):795-802. doi: 10.1176/appi.ajp.2017.16050542. Epub 2017 Jun 9. PMID: 28595491.

  4. Parkin GM, McCarthy MJ, Thein SH, Piccerillo HL, Warikoo N, Granger DA, Thomas EA. Saliva testing as a means to monitor therapeutic lithium levels in patients with psychiatric disorders: Identification of clinical and environmental covariates, and their incorporation into a prediction model. Bipolar Disord. 2021 Nov;23(7):679-688. doi: 10.1111/bdi.13128. Epub 2021 Sep 24. PMID: 34536974; PMCID: PMC9291088.

  5. White, N., Sadeeshkumar, H., Sun, A. et al. Lithium-sensing riboswitch classes regulate expression of bacterial cation transporter genes. Sci Rep 12, 19145 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20695-6
  6. England CG, Ehlerding EB, Cai W. NanoLuc: A Small Luciferase Is Brightening Up the Field of Bioluminescence. Bioconjug Chem. 2016 May 18;27(5):1175-1187. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.6b00112. Epub 2016 Apr 19. PMID: 27045664; PMCID: PMC4871753.