Virusdiagnostik auf der Grundlage physikalischer Eigenschaften

Die Diagnose von Virusinfektionen steht vor einer technologischen Erneuerung: Der Sensor VIRUSCAN kann Viren wie SARS-CoV-2 und Ebola durch Messung von deren Masse und Steifigkeit feststellen.

Gesundheit

Viren in biologischen Proben werden üblicherweise durch serologische Methoden oder durch Nukleinsäure-Amplifikation mittels der Polymerase-Kettenreaktion nachgewiesen. Aufgrund der hohen Mutationsrate von RNA-Viren müssen diese Diagnoseinstrumente jedoch ständig überarbeitet werden, um eine genaue Identifizierung zu ermöglichen.

Ein Sensor zur Messung der physikalischen Parameter von Mikroorganismen

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts VIRUSCAN wurde eine Methode entwickelt, mit der sich die intrinsischen physikalischen Eigenschaften von Viren wie Masse und Steifigkeit nachweisen lassen. „Die physikalischen Eigenschaften von Viren sind im Laufe der Evolution in hohem Maße erhalten geblieben, da sie ihre Infektionsfähigkeit regulieren“, erklärt Projektkoordinator Javier Tamayo. Viren schützen ihr Nukleinsäure-Genom in einer Hülle aus Proteinen (unbehüllte Viren) oder in einer Lipidhülle und setzen es bei der Interaktion mit dem Wirt frei. Mechanische Hinweise des Wirts oder intrinsische virale Mechanismen können die physikalischen Eigenschaften von Viruspartikeln, wie etwa deren Steifigkeit, verändern, um den Eintritt des Virus zu erleichtern. Fortschritte in nanomechanischen Systemen zeigen das Potenzial, Steifigkeit und Masse als separate Parameter auf der Nanoskala zu messen. Dank dieser Erfolge konnte das VIRUSCAN-Team optomechanische Geräte zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Viren entwickeln und herstellen. Der erzeugte Sensor zeigte die Fähigkeit, einzelne Viruspartikel und Bakterien zuerkennen und deren physikalische Parameter zu messen, wobei lediglich eine Anpassung der Konzentration als Vorbehandlung der Probe erforderlich ist.

Bakterien- und Virendatenbanken zur Unterstützung der Diagnose

Die Forschenden entschieden sich für die Untersuchung virusähnlicher Partikel, die den biophysikalischen Eigenschaften von SARS-CoV-2, Noroviren, humanen Papillomaviren und Ebola-Viren ähneln. Neben der Untersuchung verschiedener Mikroorganismen in menschlichen Proben führte dies zur Erstellung von zwei vollständigen Datenbanken mit biophysikalischen Eigenschaften: Viren und Bakterien. Mit diesen Informationen konnte das Team nicht nur die Masse und Steifigkeit verschiedener Viren erfassen, sondern auch die Steifigkeit der Virionen mit deren Infektionsfähigkeit in Verbindung bringen. Die Verwendung der Datenbanken als Referenzpunkt soll klinischen Fachleuten in Zukunft helfen, Infektionen genau zu diagnostizieren.

Mögliche Anwendungen und Zukunftsaussichten von VIRUSCAN

Es wird erwartet, dass die Einführung des VIRUSCAN-Geräts den Patientinnen und Patienten zugute kommt, da es die Möglichkeit einer schnellen und genauen Diagnose zu geringeren Kosten bietet. Das Gerät wird dazu beitragen, die Verschreibung unwirksamer Antibiotika zu vermeiden und für individuelle Behandlungen zur raschen Heilung von Infektionen zu sorgen. Darüber hinaus kann VIRUSCAN dazu beitragen, in Notfallsituationen wie dem Ausbruch des Ebola- und Zika-Virus schnell zu reagieren und die Verbreitung des Virus zu begrenzen. Weitere Anwendungen sind die schnelle Überprüfung von Blutspenden vor der Transfusion und die Verfolgung von Antibiotikaresistenzen, die eine großen Gesundheitsbedrohung darstellen. „Wir wollen diese Technologie weiterentwickeln, um Krankheitserreger in der Luft, einschließlich Pilzsporen und Viren wie SARS CoV-2, direkt aus der Luftprobe erkennen zu können, und zwar als Teil eines Warnsystems, das in kritischen Umgebungen wie Krankenhäusern während Pandemien installiert werden soll“, betont Tamayo. Die Technologie ist nicht auf die Identifizierung von Krankheitserregern beschränkt, sondern kann auch in der Nanotechnologie eingesetzt werden, um die Eigenschaften von Nanopartikeln und auf Nanopartikeln basierenden Arzneimittelabgabesystemen zu untersuchen. Darüber hinaus hat VIRUSCAN das Potenzial, die Energie- und Umweltforschung sowie die Lebensmittelbranche bei der Überwachung verschiedener Moleküle wie Proteine und Enzyme positiv zu beeinflussen.

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Ein Sensor zur Messung der physikalischen Parameter von Mikroorganismen

Bakterien- und Virendatenbanken zur Unterstützung der Diagnose

Mögliche Anwendungen und Zukunftsaussichten von VIRUSCAN

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