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.
