planar YES (Labor-Testkit für die Messung der östrogenen Wirkung in Umwelt- und Lebensmittelproben)

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 496.26.14

Key words (German)

wirkungsbasierter Test, östrogene Wirkung, Testkit, Hefe,

Short description (German)

In der Machbarkeitsstudie Speed-YES (UTF 408.04.12) wurde die Eignung dieses wirkungsbasierten Tests (WBT) zum Nachweis der östrogenen Wirkung in wässrigen Proben mit Hilfe von Hefezellen grundsätzlich nachgewiesen. Im vorliegenden Projekt soll das Verfahren nun so weit entwickelt werden, dass es als breit einsetzbares Labor-Testkit eingesetzt werden kann. Dafür muss die Trennschärfe für verschiedene Substanzen erhöht und das Verfahren robuster gestaltet werden. Das Testkit selber besteht aus den für den Test nötigen Materialien, ev. speziellen Werkzeugen (wie Walzen für die Hefeapplikation) und der Standard-Arbeitsanweisung (SOP, Standard Operating Procedure).

Das Gewässerschutzgesetz macht (noch) keine Vorgaben für die wirkungsbasierte Analytik. Für Lebensmittel inkl. Trinkwasser hingegen werden entsprechende Tests zunehmend nachgefragt. Deshalb soll der Einsatzbereich des Testkits auf den Lebensmittel- und Kosmetikbereich ausgedehnt werden (Pflanzeninhaltsstoffe, Verpackungsmigrate). Für die Anwendung des Testkits wurde mit dem Analytiklabor der Migros (Swiss Quality Testing Services, SQTS) ein Partner gefunden. Zwischen der ZHAW und der SQTS besteht ein Vertrag für die Nutzung der geistigen Eigentumsrechte (Beilage 3). Im Rahmen des Projektes soll auch ein Geschäftskonzept für die Produktion des Testkits zu einem wettbewerbsfähigen Preis entwickelt werden.

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 09.11.2014 (Beilage 1) an der Sitzung der Koko UT vom 25.11.2014 (Beilage 2) genehmigt.

Results according to contract (German)

1. Das Applikationsverfahren ist soweit verbessert, dass es eine genügend hohe Trennschärfe im Bioautogramm erlaubt. Als Mass dafür sollen die entwickelten Banden einer Mischung von je 5 pg Estron (E1), 17-beta-Estradiol (E2) und 17-alpha-Ethinylestradiol (EE2) im Bioautogramm nach der planar-YES Prozedur maximal 50% breiter sein als davor. Ein einfaches Verfahren zur Identifikation von Östrogenen und xeno-östrogenen Substanzen direkt auf den HPTLC-Platten mittels TLC-MS Kopplung ist eruiert. Die Methode ist anhand von Standard- und realen Umweltproben validiert und die SOP dazu erstellt. MS 1 

2. Die Anwendbarkeit des Testkits für verschiedene Matrizes mit potentiell östrogener Wirkung (Pflanzeninhaltsstoffe und –extrakte, Verpackungsmigrate) ist nachgewiesen. Für den nächsten Schritt sind die zu untersuchenden Proben bestimmt. MS 2

3. Proben aus verschiedenen Matrizes sind mit dem für die jeweilige Anwendung optimierten planar-YES auf östrogene Wirkung hin untersucht. MS 3

4. Ein Geschäftskonzept zur Kommerzialisierung der Resultate mit Einbindung von mindestens einem industriellen Umsetzungspartner ist erarbeitet. Dieses legt auch fest, welche Arbeitsschritte patentiert werden können. Damit soll sichergestellt werden, dass das Labor-Testkit auf dem Markt dauerhaft und zu einem kommerziell wettbewerbsfähigen Preis erhältlich ist. Der zukünftige Partner ist über seine Rückzahlungspflicht informiert. 

Project aims (German)

Das Testkit planar-YES steht in Anwendungsreife für verschiedene Anwendungsbereiche (Wasserproben, Pflanzenextrakte und Verpackungsmigrate) bereit. Ein Geschäftskonzept mit Einbindung eines industriellen Umsetzungspartners liegt vor.

Description of results (German)

Der planar-YES (ehem. Speed-YES) ist ein wirkungsbasierter Biotest, basierend auf modifizierten Hefezellen und Dünnschicht-Chomatografie, der den empfindlichen Nachweis östrogenaktiver Stoffe in wässrigen Medien erlaubt.

In diesem Projekt wurde das Applikationsverfahren der Hefezellen stark verbessert. Die o¨strogene Aktivita¨t von gekla¨rtem Abwasser kann nun differenziert beurteilt werden, und auch Rückschlüsse auf das verwendete Reinigungsverfahren der ARA sind möglich. Die für 17-beta-Östradiol (E2) und 17-alpha-Ethinylöstradiol (EE2) diskutierten Schwellenwerte können mit dem planar-YES detektiert werden. Der planar-YES ist auch einsetzbar, um o¨strogenaktive Inhaltsstoffe in Nahrungserga¨nz-ungsmitteln und Verpackungsmigrat-Lösungen zu detektieren, ihre Aktivität zu quantifizieren und Hinweise auf die enthaltenen Inhaltsstoffe zu erhalten. Der planar-Yes kann damit fu¨r das Screening von östrogenaktiven Stoffen in komplexen Mischungen eingesetzt werden.

Die chemische Analyse von östrogenaktiven Komponenten direkt ab der Dünnschicht-Platte ist durch ein TLC-MS-Interface, gekoppelt mit Massenspektrometrie (ESI-TripleQuad-MS) mo¨glich und wurde anhand von Standards eines Xenoo¨strogens und zwei Phytoo¨strogenen getestet. Für den stofflichen Nachweis des Hormons Östrogen ist die heutige Analytik aber noch um den Faktor 10'000 zu wenig sensitiv. Aufgrund der raschen technischen Entwicklung, sind hier Verbesserungen in Zukunft zu erwarten.

Die planar-YES Prozedur wurde als Labor-Testkit auf Konzeptstufe konfiguriert, welcher alle Schlu¨sselkomponenten fu¨r die Bestimmung o¨strogener Aktivita¨t entha¨lt. Der Testkit kann fu¨r die jeweilige Matrix spezifiziert werden. Der potenzielle Markt wurde abgeklärt.

Transfer and application (German)

Das modifizierte planar-YES Verfahren wird eingesetzt um Abwässer zu charakterisieren und damit die Herkunft östrogener Aktivität und die Auswirkungen ihrer Einleitung in die Umwelt besser zu verstehen (Schönborn et al 2017). Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass der planar-YES robuste und reproduzierbare Aktivitätsprofile liefert.

Anhand der bisher erhobenen Profile wurde deutlich, dass jede Abwassereinleitung ein individuelles Aktivitätsprofil aufweist. Es wird vermutet, dass daraus Rückschlüsse auf mögliche Einleiter im Einzugsgebiet sowie auf den Reinigungsprozess in den betreffenden ARAs möglich sind. Ein Assessment von Verfahren die in der 4. Reinigungsstufe eingesetzt werden, ist möglich. Das planar-YES Verfahren lässt sich auch einsetzen, um Abwasser, das zur Bewässerung eingesetzt wird, zu charakterisieren und allenfalls weiterführende Reinigungsschritte zu definieren.

Follow up (German)

1. Das grundlegende planar-YES Verfahren soll publiziert und offengelegt werden, um eine zukünftige breite Anwendbarkeit durch Zertifizierung des Verfahrens zu ermöglichen.
2. In einem Folgeprojekt soll der Testkit fertig entwickelt und validiert werden. Voraussetzung fu¨r den Einsatz des planar-YES-Testkits bleibt allerdings die Verfu¨gbarkeit einer Dünnschicht-Chromatografie Geräteinfrastruktur.
3. Der Testkit soll im Folgenden schrittweise kommerzialisiert und um andere hormonelle Endpunkte erweitert werden.

Publications / Results (German)

Schönborn, Andreas; Mainetti, Tamara; Grimmer, Andrea Adelheid; Durisch-Kaiser, Edith; Sennhauser, Dieter (2017). Der Östrogenisierung der Umwelt auf der Spur: Wirkprofile östrogen-aktiver Substanzen in kommunalem Abwasser. Aqua & Gas, 5. 64-71

Bräm S., Schönborn A., Wolfram E., 2017, HPTLC coupled estrogenic activity assessment of the phytoestrogens genistein and biochanin A in nutraceutical red clover (Trifolium pratense L.) formulations, POSTER, HPTLC 2017 conference, Berlin, Book of Abstracts

Krayer P., Beretsou V., Mainetti T., Fatta-Kassinos D., Schönborn A., 2017, Estrogenic substances in treated wastewater used for crop irrigation in Cyprus - Preliminary results using the planar-YES bioassay, POSTER, HPTLC 2017 conference, Berlin, Book of Abstracts

V. Baumgartner, A. Schönborn, A. Grimmer, T. Mainetti, I. Pfändler, Th. Gude, 2016, planar-YES: Analysing Food Contact Materials with an Estrogen Screen Assay, POSTER, 6th International Symposium on Food Packaging, Barcelona