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Ein optischer Biosensor für das Coronavirus

Coronavirus
Sars-CoV-2 (Bild: Maksim Tkachenko/ iStock)

Eines der dringlichsten Probleme in der aktuellen Corona-Pandemie ist der Engpass beim Testen. Bisher dauern die verlässlichen Virentests zu lange und benötigen viel Laborkapazität. Für Abhilfe könnte nun ein von Schweizer Forschern entwickelter Biosensor sorgen. Denn er kann RNA-Stücke von Sars-CoV-2 mithilfe eines physikalischen Effekts nachweisen. Tests zufolge ist dieser Nachweis spezifisch für dieses Coronavirus und sensitiv genug, um den Erreger in Proben von Patienten nachzuweisen. Der Biosensor könnte aber sogar so erweitert werden, dass er das Virus beispielsweise in der Umgebungsluft detektiert, wie die Forscher berichten.

Bisher ist der Goldstandard für den Nachweis einer akuten Covid-19-Erkrankung der sogenannte RT-PCR-Test. Bei diesem im Labor durchgeführten Verfahren wird zunächst das als RNA vorliegende Erbgut des Coronavirus mithilfe eines Enzyms in DNA übersetzt. Die resultierenden DNA-Stücke werden dann durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt. Der Nachweis erfolgt dann durch die Anlagerung dieser DNA-Stücke an spezifische zu dieser Sequenz passende Marker. Diese Tests gelten als die bisher verlässlichste Methode, um eine akute Infektion mit Sars-CoV-2 zu detektieren. Weil aber der Test mehrere Stunden dauert und spezielle Laborgeräte und Reagenzien benötigt, können in Deutschland und in vielen anderen Ländern nicht alle Corona-Verdachtsfälle getestet werden – die Kapazität der Labore reicht einfach nicht aus.

Nachweis über optische Effekte

Deshalb hat nun ein Forscherteam unter der Leitung von Jing Wang von der ETH Zürich eine alternative Testmethode entwickelt, die die gängigen RT-PCR-Tests zumindest ergänzen könnte. Die Wissenschaftler greifen dafür auf ein Sensorkonzept zurück, das sie in den letzten Jahren für den Nachweis von Aerosolen, aber auch Bakterien und Viren in der Umgebungsluft entwickelt haben. Diesen Biosensor haben Wang und sein Team nun so weiterentwickelt, dass sie damit das aktuelle Coronavirus nachweisen können. „Unser Biosensor kann so eine verlässliche und einfach anwendbare Diagnose-Plattform liefern, die die Diagnose in klinischen Tests verbessern und den Druck auf die PCR-basierten Tests verringern kann“, sagen die Forscher. Wie sie betonen, soll ihr Sensor die etablierten Labortests aber nicht unbedingt ersetzen, sondern eher ergänzen, indem er vor allem dort eingesetzt wird, wo eine schnelle Diagnose nötig ist.

Grundlage des neuen Tests bildet eine Technologie, die als „Localized Surface Plasmon Resonance“ (LSPR) bezeichnet wird. Hinter diesem sperrigen Begriff verbirgt sich ein optisches Phänomen, das bei metallischen Nanostrukturen auftritt. Werden beispielsweise Gold-Nanopartikel auf einer Glasoberfläche mit Laserlicht angeregt, erzeugen sie ein Energiefeld, das die Elektronen der Oberflächenatome in Oszillation versetzt. Dieses sogenannte plasmonische Nahfeld erzeugt ein bestimmtes optisches Muster, das sich mit einem Photosensor messen lässt, wie die Wissenschaftler erklären. Wenn nun jedoch Fremdmoleküle an die Nanopartikel andocken, verändert sich an dieser Stelle das optische Muster des plasmonischen Felds. Genau diesen Effekt haben Wang, Erstautor Guangyu Qiu von der ETH und ihre Kollegen nun genutzt, um spezifische RNA-Fragmente von Sars-Cov-2 nachzuweisen.

Spezifisch für die RNA von Sars-CoV-2

Für den Coronavirus-Biosensor ergänzten die Forscher die Gold-Nanopartikel auf dem Glasträger um zwei DNA-Abschnitte, die quasi das Negativ zu den entsprechenden Abschnitten der viralen RNA von Sars-CoV-2 darstellen. Die Sequenz dieser Erbgut-Fragmente ist so spezifisch, dass sich nur RNA-Stränge dieses Virus an die DNA- Komplementärsequenzen anlagern können. Im konkreten Fall wählten Wang und sein Team dafür die gleichen viralen Gensignaturen, die auch bei den gängigen PCR-Tests eingesetzt werden. Um den Biosensor für nur dieses eine Coronavirus spezifisch zu machen, ergänzten die Forscher die LSPR-Technik um eine zweite, thermische Komponente, den sogenannten plasmonischen photothermalen Effekt (PPT). Dafür heizt ein Laser die Testoberfläche mit den Nanopartikeln so weit auf, dass die Temperatur nur noch leicht unter dem Wert liegt, bei dem sich normalerweise Doppelstränge von RNA oder DNA in Einzelstränge teilen. Dies erhöhte die Spezifität der Anlagerung und verhindert, dass sich auch fast-passende RNA-Stränge an die Marker-DNA auf dem Biosensor anlagern, wie die Forscher erklären.

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Um zu testen, wie zuverlässig und spezifisch der neue Test tatsächlich arbeitet, haben Wang und sein Team Versuchsdurchgänge mit Lösungen durchgeführt, die entweder die RNA-Abschnitte von Sars-CoV-2 enthielten oder aber die sehr ähnlichen Abschnitte des eng verwandten Coronavirus Sars-CoV, dem Erreger der Sars-Pandemie im Jahr 2003. Das Ergebnis: „Der LSPR-Sensor ohne die thermische Komponente zeigte ein falsch-positives Signal an, wenn er die Sars-Sequenzen detektierte“, berichten die Forscher. Bei dem Sensor, der LSPR mit dem photothermalen Effekt kombinierte, blieben solche falsch-positiven Ergebnisse dagegen aus. „Unsere Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr ähnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren unterscheiden kann“, erklärt Wang. Nähere Analysen ergaben, dass die untere Nachweisgrenze für den Biosensor bei rund 22.600 Kopien des viralen RNA-Strangs von Sars-Cov-2 liegt. Wie die Forscher erklären, liegt dies hundertfach unter den Virusdichten, die typischerweise bei Abstrichen von Covid-19-Patienten kurz nach Symptombeginn nachgewiesen werden.

„Das spricht dafür, dass unser System das Potenzial hat, SARs-CoV-2 in Proben aus dem Atemwegsbereich zu detektieren“, sagen die Wissenschaftler. Sie sehen den Einsatzbereich ihres Biosensors vor allem dort, wo eine schnelle erste Diagnose von Covid-19 nötig ist – beispielsweise bei der Aufnahme von Verdachtsfällen ins Krankenhaus. Längerfristig könnte das System sogar so erweitert werden, dass es auch Luftproben aus der Umwelt auf das Virus testen kann. „Das braucht noch Entwicklungsarbeit“, sagt Wang. So muss dafür noch ein System entwickelt werden, das die Luft ansaugt, die Aerosole darin konzentriert und dann die RNA aus den Viren isoliert. Doch ist der Sensor erst einmal fertiggestellt, könnte man damit beispielsweise in Bahnhöfen, im Umfeld von Krankenhäusern oder in Flughäfen die Coronaviren-Konzentration in der Luft messen.

Quelle: Guangyu Qiu (ETH Zürich) et al., ACS Nano, doi: 10.1021/acsnano.0c02439

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