@article{SchellerYarmanBachmannetal.2014,
  author    = {Scheller, Frieder W. and Yarman, Aysu and Bachmann, Till and Hirsch, Thomas and Kubick, Stefan and Renneberg, Reinhard and Schumacher, Soeren and Wollenberger, Ursula and Teller, Carsten and Bier, Frank Fabian},
  title     = {Future of biosensors: a personal view},
  series = {Advances in biochemical engineering, biotechnology},
  volume    = {140},
  journal   = {Advances in biochemical engineering, biotechnology},
  editor    = {Gu, MB and Kim, HS},
  publisher = {Springer},
  address   = {Berlin},
  isbn      = {978-3-642-54143-8; 978-3-642-54142-1},
  issn      = {0724-6145},
  doi       = {10.1007/10_2013_251},
  pages     = {1 -- 28},
  year      = {2014},
  abstract  = {Biosensors representing the technological counterpart of living senses have found routine application in amperometric enzyme electrodes for decentralized blood glucose measurement, interaction analysis by surface plasmon resonance in drug development, and to some extent DNA chips for expression analysis and enzyme polymorphisms. These technologies have already reached a highly advanced level and need minor improvement at most. The dream of the "100-dollar' personal genome may come true in the next few years provided that the technological hurdles of nanopore technology or of polymerase-based single molecule sequencing can be overcome. Tailor-made recognition elements for biosensors including membrane-bound enzymes and receptors will be prepared by cell-free protein synthesis. As alternatives for biological recognition elements, molecularly imprinted polymers (MIPs) have been created. They have the potential to substitute antibodies in biosensors and biochips for the measurement of low-molecular-weight substances, proteins, viruses, and living cells. They are more stable than proteins and can be produced in large amounts by chemical synthesis. Integration of nanomaterials, especially of graphene, could lead to new miniaturized biosensors with high sensitivity and ultrafast response. In the future individual therapy will include genetic profiling of isoenzymes and polymorphic forms of drug-metabolizing enzymes especially of the cytochrome P450 family. For defining the pharmacokinetics including the clearance of a given genotype enzyme electrodes will be a useful tool. For decentralized online patient control or the integration into everyday "consumables' such as drinking water, foods, hygienic articles, clothing, or for control of air conditioners in buildings and cars and swimming pools, a new generation of "autonomous' biosensors will emerge.},
  language  = {en}
}
@article{SchmitzHertzbergMakLaietal.2013,
  author    = {Schmitz-Hertzberg, Sebastian-Tim and Mak, Wing Cheung and Lai, Kwok Kei and Teller, Carsten and Bier, Frank Fabian},
  title     = {Multifactorial design of Poly(D, L-lactic-co-glycolic acid) capsules with various release properties for differently sized filling agents},
  series = {Journal of applied polymer science},
  volume    = {130},
  journal   = {Journal of applied polymer science},
  number    = {6},
  publisher = {Wiley-Blackwell},
  address   = {Hoboken},
  issn      = {0021-8995},
  doi       = {10.1002/app.39537},
  pages     = {4219 -- 4228},
  year      = {2013},
  abstract  = {The hydrolytic degradation and corresponding content release of capsules made of poly(d,l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) strongly depends on the composition and material properties of the initially applied copolymer. Consecutive or simultaneous release from capsule batches of combinable material compositions, therefore, offers high control over the bioavailability of an encapsulated drug. The keynote of this study was the creation of a superordinated database that addressed the correlation between the release kinetics of filling agents with different molecular weights from PLGA capsules of alternating composition. Fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran (with molecular weights of 4, 40, and 2000 kDa) was chosen as a model analyte, whereas the copolymers were taken from various 50:50 PLGA, 75:25 PLGA, and polylactide blends. With reference to recent publications, the capsule properties, such as the size, morphology, and encapsulation efficiency, were further modified during production. Hence, uniform microdisperse and polydisperse submicrometer nanocapsules were prepared by two different water-in-oil-in-water emulsification techniques, and additional effects on the size and morphology were achieved by capsule solidification in two different sodium salt buffers. The qualitative and quantitative examination of the physical capsule properties was performed by confocal laser scanning microscopy, scanning electron microscopy, and Coulter counting techniques to evaluate the capsule size distribution and the morphological appearance of the different batches. The corresponding agent release was quantified by fluorescence measurement of the FITC-dextran in the incubation media and by the direct measurement of the capsule brightness via fluorescence microscopy. In summary, the observed agent release showed a highly controllable flexibility depending on the PLGA blends, preparation methods, and molecular weight of the used filling substances. (c) 2013 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 130: 4219-4228, 2013},
  language  = {en}
}
@article{HalamekTellerZeraviketal.2006,
  author    = {Halamek, Jan and Teller, Carsten and Zeravik, Jiri and Fournier, Didier and Makower, Alexander and Scheller, Frieder W.},
  title     = {Characterization of binding of cholinesterases to surface immobilized ligands},
  issn      = {0003-2719},
  doi       = {10.1080/00032710600713107},
  year      = {2006},
  abstract  = {We summarize here the development of various piezoelectric biosensors utilizing cholinesterase (ChE) as the recognition element. In our work we studied the interaction between cholinesterase and its ligands (propidium, carnitine, benzylgonine-1,8-diamino-3,4-dioxaoctane (BZE-DADOO) and paraoxon). The sensor modification was based on a self-assembled monolayer (SAM) of a thiol compound (11-mercaptoundecanoic acid) on the gold electrode and the subsequent covalent coupling of the cholinesterase ligand to this SAM. The ligand-modified piezoelectric sensors were placed in a flow system to allow the on-line monitoring of cholinesterase binding and the enzymatic activity quantification by amperometry. Cholinesterases from different species-acetylcholinesterase (AChE) from Electrophorus electricus , AChE from Drosophila melanogaster , and butyrylcholinesterase (BChE) of human origin-were tested on the various immobilized ligands. Our research allowed the development of a competitive assay for the detection of organophosphates in river water samples using the BZE-DADOO-modified piezosensor. Another direction of research was pointed on the characterization of the interactions between ChE and its ligands. The kinetic binding constants were derived using a one- to-one binding model},
  language  = {en}
}
@article{HalamekTellerMakoweretal.2006,
  author    = {Halamek, Jan and Teller, Carsten and Makower, Alexander and Fournier, Didier and Scheller, Frieder W.},
  title     = {EQCN-based cholinesterase biosensors},
  issn      = {0013-4686},
  doi       = {10.1016/j.electacta.2006.03.047},
  year      = {2006},
  abstract  = {The binding of acetylcholinesterase (AChE) to a propidium-modified piezoelectric quartz crystal and its surface enzymatic activity have been investigated. Propidium binds to a site remote to the active center of AChE - the peripheral anionic site (PAS) - which is located on the rim of the gorge to the active site. The gold electrodes of the quartz crystal were first modified with 11-mercaptoundecanoic acid to which propidium was coupled. AChE binding was monitored by a quartz crystal nanobalance (QCN), followed by amperometric activity evaluation of the AChE loaded on the sensor. Interestingly, the binding is strong but does not inhibit AChE. However, an excess of propidium in solution inhibits the immobilized enzyme. The surface enzymatic activities observed depend on the amount of enzyme and differ according to the type and species, i.e. number of enzyme subunits (Electrophorus electricus tetrameric, Drosophila melanogaster mono- and dimeric form - DmAChE). The operational stability and regeneration, effect of propidium in solution and detection limit for substrate for various AChEs were investigated amperometrically.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Teller2008,
  author    = {Teller, Carsten},
  title     = {Entwicklung neuartiger biomimetischer Sensoren: ein bifunktionaler Sensor auf Basis haptenisierter Cholinesterase},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-25021},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2008},
  abstract  = {In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines bifunktionellen Biosensors nach dem Vorbild eines Baukastensystems beschrieben. Das Ziel wird durch die Kombination verschiedenster molekularer Erkennungselemente erreicht. Solche molekularen Erkennungselemente im verwendeten System sind: • Propidium und die periphere anionische Bindungsstelle der Acetylcholinesterase (AChE) • Organophosphate und das aktive Zentrum der AChE • ein an die AChE gekoppeltes Hapten und das Epitop eines Antik{\"o}rpers • ein an die AChE gekoppeltes Hapten, das als Ligand ein weiteres Enzym bindet Neben dem molekularen Erkennungselement wird ein Biosensor ebenso durch die Art des Transducers charakterisiert. Hier werden Quarzpl{\"a}ttchen mit Goldelektroden zur Signalumwandlung eingesetzt. Die Verwendung solcher Sensoren mit einem EQCM-Ger{\"a}t (electrochemical quartz crystal microbalance) erm{\"o}glicht es zwei Messsignale gleichzeitig aufzunehmen: die piezoelektrische Bestimmung einer Massebeladung und die amperometrische Detektion von Enzymaktivit{\"a}t auf der Sensoroberfl{\"a}che. F{\"u}r die Analytik stehen somit zwei verschiedene Assay-Varianten zur Verf{\"u}gung: die Bestimmung der Inhibition der ACHE-Aktivit{\"a}t und ein Bindungstest {\"u}ber das Hapten. Die Basis beider Tests ist die Modifizierung der piezoelektrischen Kristalle mit Propidium - einem reversiblen Inhibitor der Acetylcholinesterase. Dies erm{\"o}glicht die Beladung des Sensors mit AChE {\"u}ber die Wechselwirkung mit der peripheren anionischen Bindungsstelle des Enzyms. Die Aktivit{\"a}t der so immobilisierten AChE und die Inhibition durch Organophosphate (Pestizide) werden amperometrisch bestimmt. Durch die chemische Kopplung eines Hapten an die Cholinesterase wird ein weiteres Erkennungselement eingef{\"u}hrt. Das er{\"o}ffnet die M{\"o}glichkeit, an die auf dem Propidium-modifizierten Sensor immobilisierte, haptenisierte Cholinesterase einen Antik{\"o}rper zu binden. Als Voraussetzung f{\"u}r elektrochemische Bestimmung der AChE-Aktivit{\"a}t wurde zun{\"a}chst die Optimierung der amperometrischen Messmethode vorgenommen. Die Oxidatationspotentiale f{\"u}r die Detektion von Thiocholin wurden im Bereich von 150 mV bis 300 mV variiert. Dabei wurde f{\"u}r die nachfolgenden Untersuchungen eine Arbeitspotential von 200 mV (vs. Ag/AgCl) festgelegt, da hier das beste Verh{\"a}ltnis von gemessenem Oxidationsstrom und Langzeitstabilit{\"a}t der Propidium-modifizierten Sensoren erzielt wurde. Dieses Potential war deutlich geringer als die bisher publizierten Mediator-freien AChE-Biosensoren. Es wurde ein Vergleich verschiedener Organophosphate {\"u}ber ihre Inhibitionskonstanten durchgef{\"u}hrt, um diejenigen herauszufinden, die m{\"o}glichst schnell mit dem aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase reagieren. Das verwendete Messsystem beruht nicht auf der Vorinkubation der AChE und damit einer Einstellung des Inhibitionsgleichgewichts. Stattdessen wurde die Inhibition der AChE direkt im Fließsystem verfolgt. Daher war eine schnelle Inhibitionskinetik f{\"u}r einen empfindlichen Organophosphat-Nachweis erforderlich. Da einige Inhibitoren nur als Phosphothionat vorlagen, wurde die {\"U}berf{\"u}hrung dieser Substanzen in die entsprechenden Oxo-Formen mittels N-Bromsuccinimid untersucht. Die NBS-Aktivierung wurde erfolgreich durchgef{\"u}hrt, die erwartete Inhibitionsst{\"a}rke konnte jedoch aufgrund hydrolytischer Vorg{\"a}nge nicht erreicht werden. Untersuchungen mit Diisopropylfluorophosphat (DFP) und Chlorpyriphos-oxon (CPO) konnten die Voruntersuchungen {\"u}ber die Inhibitionskinetik in Bezug auf die erreichten Nachweisgrenzen von 2E-06 M f{\"u}r DFP und 5E-08 M f{\"u}r CPO best{\"a}tigen. F{\"u}r die chemische Modifizierung der Acetylcholinesterase wurde zun{\"a}chst 2,4-Dichlorphenoxyessigs{\"a}ure (2,4-D) als Hapten ausgew{\"a}hlt. 2,4-D wird als Herbizid eingesetzt und in der EU {\"u}ber die Gew{\"a}sserschutzrichtlinie reguliert. 2,4-D konnte in unterschiedlichen molaren Verh{\"a}ltnissen von 2,6 : 1 bis 260 : 1 (2,4-D : AChE) nach Aktivierung mit einem Norbornendicarboximido-Derivat an die AChE gekoppelt werden. Dabei konnte die spezifische Aktivit{\"a}t der Acetylcholinesterase erhalten und die Bindung eines anti-2,4-D-Antik{\"o}rpers erm{\"o}glicht werden. Zur Verst{\"a}rkung des piezolelektrischen Signals der Antik{\"o}rperbindung wurden die Immunoglobuline zun{\"a}chst an Goldnanopartikel gekoppelt. Damit konnte eine Verst{\"a}rkung um den Faktor 10 erreicht werden. Allerdings waren die Antik{\"o}rper-modifizierten Goldnanopartikel nicht langzeitstabil. Daher wurden auch Silica-Nanopartikel als Matrix f{\"u}r die Antik{\"o}rperkopplung getestet. Mit diesem System konnte eine Verst{\"a}rkung um den Faktor von 5 bis 13 je nach Grad der Beladung den Nanopartikel mit Antik{\"o}rper bestimmt werden. Die hohe unspezifische Bindung der Antik{\"o}rper-Nanopartikel-Konjugate an den Propidium-modifizierten QCM-Sensor konnte keinen empfindlichen 2,4-D-Nachweis erm{\"o}glichen. Als Alternative wurde Kokain (Benzoylecgonin, BZE) als Hapten an die Aceytlcholinesterase gekoppelt. Da Kokain selbst auch als Inhibitor im aktiven Zentrum der AChE binden kann, wurden zwei verschiedene Strategien zur Konjugatsynthese verfolgt. Durch Zugabe von Kokain w{\"a}hrend der Kopplung sollte die kovalente Fixierung des Kokain-Derivats BZE-DADOO im aktiven Zentrum verhindert werden (Konjugat B). In der Tat konnten mit dieser Synthesestrategie 67\% der spezifischen Cholinesterase-Aktivit{\"a}t erhalten werden, w{\"a}hrend im Kokain-freien Ansatz (Konjugat A) nur 2\% der Ausgangsaktivit{\"a}t wiedergefunden wurden. Das BZE-AChE-Konjugat erm{\"o}glichte auch die Untersuchung der Bindungskinetik der anti-BZE-Antik{\"o}rper. Dabei konnte eine Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ka von 12911 l/(mol•s) berechnet werden. Dieser Wert ist trotz der vergleichsweise geringen Oberfl{\"a}chenbeladung vergleichbar mit den in der Literatur angegebenen Werten. Die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante ist mit 2,89E-3 1/s um den Faktor 30 h{\"o}her als der Literaturwert. Diese Abweichung ist auf Unterschiede im Bindungsmodell zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Mit beiden BZE-AChE-Konjugaten konnte ein kompetetiver Immunoassay mit Kokain im Fließsystem durchgef{\"u}hrt werden. Dabei zeigte sich f{\"u}r beide Konjugate ein {\"a}hnlicher Testmittelpunkt: IC50 = 4,40E-8 mol/l f{\"u}r Konjugat A bzw. IC50 = 1,77E-8 mol/l f{\"u}r Konjugat B. Diese Werte sind vergleichbar zu bereits publizierten Kokainassays im Fließsystem. Wie vorstehend beschrieben, bindet Kokain als Inhibitor auch im aktiven Zentrum von Cholinesterasen. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um ein zweites Enzym - Butyrylcholinesterase (BChE) - an die BZE-AChE zu binden. Die Spezifit{\"a}t dieser Bindung konnte durch die Abwesenheit einer Affinit{\"a}t der BChE zum Propidium und durch die Blockierbarkeit der Bindung von BChE und BZE-AChE durch Kokain nachgewiesen werden. Damit konnte erfolgreich die Kombination mehrere molekularer Erkennungselemente demonstriert werden. Die Propidium-Plattform erm{\"o}glicht den Aufbau einer Architektur aus verschiedenen Cholinesterasen, die {\"u}ber unterschiedliche Bindungsstellen wechselwirken. Sowohl freie als auch BZE-modifizierte AChE k{\"o}nnen {\"u}ber die Affinit{\"a}t zum Propidium auf dem EQCM-Sensor immobilisiert werden. Mit Kokain als Substrat der Butyrylcholinesterase kann Benzoylecgonin nicht nur als Epitop f{\"u}r die Bindung eines Antik{\"o}rpers, sondern auch als Erkennungselement f{\"u}r die BChE genutzt werden. Auf der anderen Seite erschwert die geringe Affinit{\"a}t der BChE im Gegensatz zum anti-BZE-Antik{\"o}rper den Einsatz dieses Systems f{\"u}r analytische Zwecke. Durch die Verwendung anderer Ligand-Enzym-Kombinationen l{\"a}ßt sich das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept noch weiter ausbauen und erm{\"o}glicht damit eine Entwicklung ausgehend von „einfachen" molekularen Erkennungselementen (MRE) hin zu „multifunktionellen" Erkennungselementsystemen. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der Aufbau solch komplexe Systeme m{\"o}glich ist, ohne Abstriche in Bezug auf die Empfindlichkeit der einzelnen Assays hinzunehmen.},
  language  = {de}
}