The Embryo Project Encyclopedia

Der Radioimmunoassay (RIA) ist eine Technik, bei der Forscher radioaktive Isotope als rückverfolgbare Tags verwenden, um bestimmte biochemische Substanzen aus Blutproben zu quantifizieren. Rosalyn Yalow und Solomon Berson entwickelten die Methode in den 1950er Jahren während ihrer Arbeit im Bronx Veterans Administration (VA) Hospital in New York City, New York. RIA erfordert kleine Blutproben, ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber winzigen Mengen biologischer Moleküle in der Probe. Die Verwendung von RIA verbesserte die Genauigkeit vieler Arten von medizinischen Diagnosen und beeinflusste die Hormon- und Immunforschung auf der ganzen Welt. Bevor die RIA entwickelt wurde, erforderten andere Methoden, mit denen kleine Konzentrationen biochemischer Substanzen nachgewiesen oder gemessen wurden, große Blutproben — oft zu groß, als dass Forscher sie sammeln könnten. Mit der Entwicklung von RIA könnten Forscher einen einzigen Tropfen Blut verwenden, um die Konzentration einiger biochemischer Substanzen nachzuweisen und zu messen. Bis 1970 verwendeten Ärzte RIA, um follikelstimulierende und luteinisierende Hormone zu messen, um Unfruchtbarkeit bei Frauen zu diagnostizieren und zu behandeln. Weitere Entwicklungen führten zu Neugeborenen-Screening-Programmen für Hypothyreose.

Berson, ein Doktor der Inneren Medizin, und Yalow, ein Kernphysiker, begannen 1950 im Laboratory of Radioisotope Service, später Solomon A. Berson Research Laboratory im Bronx VA Hospital, zusammenzuarbeiten. Berson und Yalows Forschung konzentrierte sich auf die Nuklearmedizin und sie planten, medizinische Anwendungen für radioaktive Isotope zu entwickeln, insbesondere für Insulin. Zu Beginn ihrer Arbeit am Radioisotope Service verwendeten Berson und Yalow die RIA, um das Volumen der roten Blutkörperchen (RBCs) im menschlichen Körper zu messen. Sie injizierten menschlichen Probanden ein Serum, das radioaktive Tags enthielt, die an bestimmte Strukturen gebunden waren — radioaktives Jod, das an Albumin gebunden war, ein Protein, das im Blut vorkommt; und radioaktives Kalium oder Phosphor, das an Erythrozyten gebunden war. Berson und Yalow maßen die Anzahl der Erythrozyten mit radioaktiven Tags und validierten ihre RIA-basierte Berechnung der Erythrozyten mit dem Blutzellen-zu-Plasma-Verhältnis oder Hämatokrit, gemessen aus gesammeltem Blut. Dieser Schritt ermöglichte es Berson und Yalow, ihre Methoden zu verifizieren. Sie konzentrierten sich dann auf Substanzen, die noch nie zuvor an lebenden Menschen gemessen worden waren.

Berson und Yalow entwickelten zunächst die RIA—Methode zur Messung von Insulin — einem kleinen Peptidhormon, das zur Metabolisierung von Kohlenhydraten und Fetten benötigt wird -, das im Allgemeinen in geringen Konzentrationen im menschlichen Körper vorhanden ist. Wenn Körper Schwierigkeiten haben, Insulin zu produzieren oder darauf zu reagieren, weisen diese Körper Diabetes auf. Obwohl Ärzte Diabetes seit den 1920er Jahren mit tierischem Insulin behandelt hatten, arbeiteten Forscher in den 1950er Jahren immer noch daran, Tests zum Nachweis des Insulinspiegels im Blut zu entwickeln, um die Ursachen der Krankheit und die Nebenwirkungen der Behandlung zu identifizieren.

Berson und Yalow mussten die Empfindlichkeit ihrer radioaktiven Markierungsmethode verfeinern, um Insulin im Körper zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass der menschliche Körper auf Rind- und Schweineinsulin als Fremdstoffe, sogenannte Antigene, reagierte und Antikörper für das Insulin als Abwehrmechanismus entwickelte. Diese Antikörper blockierten dann die Rezeptorstellen des Insulins, und die Blockade hemmte die Zersetzung des Hormons. Zu dieser Zeit gingen Wissenschaftler davon aus, dass Insulin zu klein war, um die Antikörperproduktion auszulösen. Die Entdeckung, dass tierisches Insulin eine Immunantwort beim Menschen auslöst, beschrieben in Berson und Kollegen Artikel „Insulin-I131 Metabolismus bei Menschen: Der Nachweis von insulinbindendem Globulin im Kreislauf des mit Insulin behandelten Subjekts “ ermöglichte es den Forschern, kleine biochemische Substanzen wie Insulinmoleküle nachzuweisen. Berson und Yalow erkannten, dass ihre Radioisotopenmarkierungsmethode weiterentwickelt werden könnte, um nahezu jede biochemische Substanz von Interesse zu markieren und zu verfolgen. 1960 veröffentlichten Berson und Yalow ein Papier, das die RIA-Technik mit dem Titel „Immunoassay of Endogenous Plasma Insulin in Man.“ Innerhalb eines Jahres nach der Entwicklung des RIA erweiterten die Forscher seine Anwendung über die Messung von Hormonen hinaus und untersuchten damit mikroskopisch kleine Organismen, Medikamente und Krebsarten.

Forscher, die die RIA-Methode verwenden, benötigen ein Antigen, das markiert oder an einen radioaktiven Marker gebunden ist, und einen Antigen-spezifischen Antikörper, der an das Antigen bindet. Für Berson und Yalow war das markierte Antigen Insulin, das an radioaktives Jod (I131) gebunden war, und der Antikörper war Insulinase, die insulinspezifisch ist. Um die Insulin-RIA zu vervollständigen, mischen die Forscher zunächst bekannte Mengen des Insulins-I131 und der Insulinase. Diese binden und produzieren eine bestimmte Menge an Insulin-I131-Insulinase-Komplexen. Dann führen die Forscher eine kleine biologische Probe, wie Blut, in die Mischung ein und inkubieren die Mischung für mehrere Stunden bis zu mehreren Tagen.

Während der Inkubationszeit kommen das Insulin-I131 und jedes unmarkierte Insulin in der biologischen Probe zu einem Gleichgewicht oder Gleichgewicht in der Anzahl der Moleküle von jedem, die an den Antikörper gebunden sind. Wenn zwei oder mehr Antigene, wie markiertes und unmarkiertes Insulin, um dieselbe Bindungsstelle auf einem Antikörpermolekül konkurrieren, wird der Prozess als kompetitive Bindung bezeichnet. Aufgrund der kompetitiven Bindung verdrängt das in der biologischen Probe vorhandene unmarkierte Insulin einen Teil des markierten Insulins in den Insulin-I131-Insulinase-Komplexen. Die radioaktiv markierten Antigene, die aus ihren Komplexen verlegt wurden, können dann entfernt werden, und das gebundene, markierte Antigen kann mit einem Strahlungszähler gemessen werden. Da die markierten und nicht markierten Antigene ins Gleichgewicht kommen, ist die Menge an nicht markiertem Insulin, die nicht gebunden ist, gleich der Menge an ungebundenem Insulin-I131. Wenn die Forscher die Anfangskonzentration von Insulin-I131 und die Bindungskapazität kennen – den Prozentsatz des Antigens, der jederzeit in einer gesättigten Lösung ungebunden bleibt —, können sie die Menge an gebundenem und ungebundenem unmarkiertem Insulin aus der Probe berechnen. Obwohl RIA-Methoden unter Verwendung der Antigen-Antikörper-Bindung etabliert wurden, können Antigene auch an andere Proteine wie Albumin binden, das an einige Hormone im Blutplasma bindet und diese trägt. Forscher verwenden Bindemittel wie Albumin, die für die Immunfunktion unspezifisch sind, um diese Methode zum Nachweis oder zur Messung von Wirkstoffen, Viren und anderen Verbindungen oder biologischen Substanzen anzuwenden.

In den Vereinigten Staaten nahm die Forschung zu Anwendungen des Radioimmunoassays zu. Hypothyreose, eine Erkrankung, bei der der Körper niedrige Thyrotropinspiegel (TSH) produziert, kann unter anderem die geistige Entwicklung von Säuglingen mit dieser Erkrankung beeinträchtigen. Die RIA für TSH, entwickelt 1965 von Robert Utiger an der Washington University School of Medicine in St. Louis, Missouri, und die von zwei anderen Schilddrüsenhormonen, Trijodthyronin und Thyroxin, entwickelt 1971 von Inder Chopra und Kollegen an der University of California, Los Angeles und das Harbor General Hospital in Torrance, Kalifornien, ermöglichte es Ärzten, nach neonataler Hypothyreose zu suchen und diese zu behandeln. Während dieser Zeit verwendeten Brij Saxena und Kollegen am Cornell University Medical College in New York City, New York, RIA, um Unfruchtbarkeit bei Frauen zu diagnostizieren, indem sie Konzentrationen von menschlichen follikelstimulierenden und luteinisierenden Hormonen im Plasma maßen.

Yalow erhielt 1977 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entwicklung von RIA. Berson teilte den Preis nicht, da er 1972 starb und das Nobelkomitee keine posthumen Preise vergibt. Spätere RIA-Techniken ermöglichten es den Forschern, mehrere biochemische Substanzen gleichzeitig zu messen. Um den Einsatz radioaktiver Substanzen zu reduzieren, verwendeten die Forscher Enzyme und Fluoreszenzmittel, um Zielsubstanzen zu markieren.