Tragbarer Erregerdetektor ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Krankheiten
Vielen Ländern mit niedrigem Einkommen fehlt die notwendige Infrastruktur, um Ausbrüche von Infektionskrankheiten zu bewältigen: geschultes Personal für die Probenentnahme, logistische Netzwerke für den Transport der Proben zu den Labors und Geräte zur Identifizierung des Erregers. Das Projekt ECLIPSE(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wird, wurde ins Leben gerufen, um dieser Herausforderung durch die Entwicklung eines Prototyps für einen zuverlässigen und kostengünstigen tragbaren Erregerdetektor zu begegnen. „Das Projekt ECLIPSE wurde zu Beginn der SARS-CoV-2-Pandemie ins Leben gerufen, die weltweit den dringenden Bedarf an Instrumenten der nächsten Generation zum Nachweis mehrerer Erreger deutlich machte“, sagt der Projektkoordinator Luca Prodi. „Wir planen, ein Pathogen-Identifikationskit nach dem Goldstandard zu entwickeln, das sich gut für Massenscreenings eignet, um zu verhindern, dass zukünftige Epidemien zur nächsten Pandemie werden.“
Ausbrüche ins Rampenlicht führen
Die wichtigste Innovation des ECLIPSE-Teams bestand darin, zwei Herausforderungen zu meistern. Die erste sollte einen Erreger oder dessen Nukleinsäure mit hoher Präzision ansteuern. Im Rahmen des Projekts wurde eine Sonde entwickelt, die auf einem „Phagen-Sandwich-Assay“ basiert. Dabei werden molekulare Mechanismen von Viren genutzt, die an die Oberfläche eines bestimmten Erregers binden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden bei dieser Art von Sonde zwei verschiedene Moleküle verwendet, die an zwei unterschiedliche Stellen des Mikroorganismus binden und so eine Art „Sandwich“ um das Zielmolekül bilden. Die zweite Herausforderung bestand darin, ein ausreichend starkes Signal zu erzeugen, selbst wenn in einer Probe nur geringe Mengen des Erregers vorhanden sind. Um dies zu lösen, setzte das Team Elektrochemilumineszenz (ECL) ein. Dabei handelt es sich um eine auf Lichtemission basierende Nachweismethode, ergänzt durch biotechnologische Strategien, die das Signal erheblich verstärken. Wenn eine Blut-, Speichel- oder Urinprobe in die ECLIPSE-Plattform eingebracht wird, binden sich mit viralen Sonden ausgestattete magnetische Mikrokügelchen an den gesuchten Erreger. Anschließend binden sich lichtemittierende Reportermoleküle an dieses Ziel. Ein Magnet zieht die mit Mikroperlen versehenen Marker an eine Elektrode, wo ein elektrischer Impuls die Indikatoren-“Reporter“ zum Leuchten bringt, wobei die Leuchtintensität proportional zur Menge des in der Probe vorhandenen Erregers ist. „Herkömmliche ECL-Assays sind in der Regel auf Antikörper angewiesen, die nur wenige Lumineszenzmarker tragen, während unsere auf Nanopartikeln und Phagen basierenden Systeme Tausende von Lumineszenzeinheiten pro Probe enthalten, was zu einem deutlich stärkeren nachweisbaren Signal führt. „Im Vergleich zu den gängigeren Antikörper-Assay-Verfahren ist das so, als würde man von einer Lampe zu einem Kronleuchter wechseln“, erklärt Prodi, Professor für Chemie an der Universität Bologna(öffnet in neuem Fenster) in Italien. Um die Vielseitigkeit der Plattform zu demonstrieren, wurde sie zur Identifizierung von drei Krankheitserregern eingesetzt: dem SARS-CoV-2-Virus, dem Bakterium Pseudomonas und dem Protozoenparasiten Leishmania. „Sowohl beim SARS-CoV-2-Virus als auch beim Pseudomonas-Bakterium lieferte die Plattform eine hohe Sensitivität und Spezifität. Doch viele Faktoren, wie beispielsweise Schwankungen in der Probenqualität der Lieferanten, beeinträchtigten jedoch die Reproduzierbarkeit“, bemerkt Prodi. „Der Nachweis von Parasiten war eine Herausforderung, da diese innerhalb der Wirtszellen gefunden werden müssen, was in Zukunft einen maßgeschneiderten Ansatz erfordert, beispielsweise durch die gezielte Untersuchung infizierter weißer Blutkörperchen.“
Pandemievorsorge
Da viele Fachleute warnen, dass es nur eine Frage der Zeit ist „wann“, nicht „ob“ die nächste Pandemie ausbricht, könnte der Konzeptnachweis von ECLIPSE einen entscheidenden Durchbruch für schnelle und zuverlässige Tests und die Nachverfolgung von Infektionen bedeuten. „Die Plattform ist so konzipiert, dass sie auf andere Krankheiten, auch Krebs, angepasst werden kann“, fügt Prodi hinzu. „Sie kann auch routinemäßig für schnelle Diagnosen eingesetzt werden, beispielsweise von Hausärzten, um therapeutische Entscheidungen zu treffen, z. B. ob Antibiotika verschrieben werden sollen oder nicht.“ Da bereits Patente angemeldet und ein Spin-off-Unternehmen(öffnet in neuem Fenster) gegründet wurde, werden derzeit die Möglichkeiten auf dem Markt ausgelotet. Die Plattform wird aller Voraussicht nach zunächst auf dem Veterinärmarkt eingeführt, bevor Anwendungen für den Humanbereich entwickelt werden.
