Forscher der Arizona State University haben ein bahnbrechendes Diagnosetool entwickelt, das die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Erkennung von Krankheiten wie COVID-19, Ebola, AIDS oder Borreliose verbessern könnte. Der Test benötigt nur einen einzigen Tropfen Blut, kostet ein paar Dollar und liefert Ergebnisse in nur 15 Minuten.
In einer neuen Studie zeigen die Forscher, dass der Test das Virus, das COVID-19 verursacht, mit höchster Genauigkeit erkennen und es klar von anderen Infektionen unterscheiden kann.
Das neue Diagnosegerät namens NasRED (Nanoparticle-Supported Rapid Electronic Detection) ist einfach und tragbar genug, um fast überall eingesetzt zu werden – von abgelegenen ländlichen Kliniken bis hin zu stark frequentierten städtischen Krankenhäusern. Das Gerät bietet Genauigkeit in Laborqualität ohne teure Ausrüstung und erfordert keine spezielle Schulung. Damit hat es das Potenzial, die öffentliche Gesundheit grundlegend zu verändern.
„Wir verfügen über die Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit eines Antigen-Schnelltests mit einer Sensitivität, die sogar besser ist als die von Labortests“, sagt Chao Wang , Hauptautor der neuen Studie. „Das ist sehr schwer zu erreichen.“
Wang ist außerordentlicher Professor am Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics und an der School of Electrical, Computer and Energy Engineering der ASU . Ihm zur Seite stehen die ASU-Forscher Yeji Choi, Seyedsina Mirjalili, Ashif Ikbal, Sean McClure, Maziyar Kalateh Mohammadi, Scott Clemens, Jose Solano, John Heggland, Tingting Zhang und Jiawei Zuo.
Die Forschungsergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift ACS Nano .
Eindämmung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten
Infektionskrankheiten gehören zu den tödlichsten Bedrohungen für die Menschheit und verursachen weltweit immenses Leid und wirtschaftlichen Schaden. Insgesamt sind Infektionskrankheiten weltweit für über 10 Millionen Todesfälle pro Jahr verantwortlich und stellen in Ländern mit niedrigem Einkommen die häufigste Todesursache dar.
Laut einer im BMJ Quality & Safety veröffentlichten Studie sterben jährlich fast 800.000 Amerikaner aufgrund von Diagnosefehlern oder erleiden dauerhafte Behinderungen . In vielen dieser Fälle handelt es sich um Infektionen oder Gefäßerkrankungen, die bei frühzeitiger Erkennung möglicherweise behandelbar gewesen wären.
In vielen Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen ist der Zugang zu zuverlässigen Diagnosetests eingeschränkt oder gar nicht vorhanden. Teure Geräte, Mangel an geschultem Personal und lange Bearbeitungszeiten tragen dazu bei, dass Diagnosen verspätet oder gar nicht gestellt werden – oft mit tödlichen Folgen.
Ein schneller, kostengünstiger und tragbarer Test wie NasRED würde es dem Gesundheitspersonal an vorderster Front weltweit ermöglichen, Infektionen frühzeitig zu erkennen und zu reagieren, bevor Ausbrüche außer Kontrolle geraten.
Kernstück des neuen Tests sind winzige Goldnanopartikel, die so konstruiert sind, dass sie extrem geringe Mengen krankheitsrelevanter Proteine erkennen. Forscher beschichten diese Nanopartikel mit speziellen Molekülen, die bestimmte Krankheiten erkennen sollen.
Manche Nanopartikel enthalten Antikörper, winzige Moleküle, die wie Magnete wirken. Antikörper haften an Proteinen, die von Viren oder Bakterien freigesetzt werden, wenn diese den Körper infizieren. Andere Nanopartikel enthalten Antigene , Proteinfragmente, die direkt von Viren oder Bakterien stammen. Diese ziehen auf natürliche Weise Antikörper an, die der Körper zur Bekämpfung von Infektionen produziert.
Nach der Beschichtung werden diese Nanopartikel mit einer winzigen Probe Körperflüssigkeit wie einem Tropfen Blut, Speichel oder Nasenflüssigkeit vermischt. Liegt eine Krankheit vor, sinken die meisten Nanopartikel auf den Boden des Röhrchens. Liegt keine Krankheit vor, bleiben sie in der Flüssigkeit suspendiert.
Das NasRED-Gerät sendet einen kleinen LED-Lichtstrahl durch die Flüssigkeit am oberen Ende des Röhrchens. Das Team entwickelte einen speziellen elektronischen Detektor, der die Lichtmenge misst, die durch das Röhrchen gelangt. Mehr Licht bedeutet, dass die Nanopartikel auf den Boden gesunken sind und die Flüssigkeit klarer ist, was wiederum auf die Krankheit hindeutet.
Präzise, zugänglich und erschwinglich
Das Gerät ist so empfindlich, dass es Krankheiten selbst dann erkennen kann, wenn in einer winzigen Flüssigkeitsprobe – dem Bruchteil eines einzigen Tropfens – nur wenige hundert Moleküle vorhanden sind. Diese Konzentration ist fast 100.000 Mal niedriger als bei herkömmlichen Labortests.
NasRED ist zudem besonders vielversprechend, da es portabel und erschwinglich ist. Die aktuellen Goldstandards für Tests wie PCR oder ELISA erfordern teure Geräte und geschultes Personal. NasRED hingegen ist kompakt und benutzerfreundlich. Die Forscher schätzen, dass jeder Test 2 US-Dollar kostet, was es ideal für den Einsatz an ressourcenarmen oder abgelegenen Standorten macht.
NasRED hat das Potenzial, eine kritische diagnostische Lücke zu schließen, insbesondere bei Krankheiten, die sich nur schwer frühzeitig erkennen lassen, wie Hepatitis C, HIV oder Borreliose. Auch für neu auftretende Krankheitsausbrüche mit geringer Prävalenz, aber hohem Risiko ist der Test vielversprechend. Solche Krankheiten bleiben oft unerkannt, da ein Labortest bei nur einem oder zwei Patienten nicht kosteneffizient ist. NasRED schließt diese Lücke, indem es einen hochsensitiven Test bietet, der sofort und kostengünstig am Behandlungsort funktioniert.
Während NasRED derzeit kleine Tischgeräte zum Schleudern und Mischen der Proben benötigt, arbeiten die Forscher daran, den Prozess weiter zu miniaturisieren und zu automatisieren. Mit fortschreitender Entwicklung könnte die Technologie eines Tages zu einem praktischen Heimtest werden, ähnlich den bestehenden COVID-19-Schnelltests. Allerdings wäre die Empfindlichkeit deutlich höher und die Anwendungsmöglichkeiten wären breiter.
Bedeutender Fortschritt in der Diagnostik
NasRED übertrifft bestehende Diagnosestandards deutlich. Die neue Studie zeigt, dass NasRED etwa 3.000-mal sensitiver als ELISA ist, 16-mal weniger Probenvolumen benötigt und etwa 30-mal schneller Ergebnisse liefert.
Eine frühere Version der Technologie konnte Ebola bereits in einer winzigen Blutprobe nachweisen. „Für die neue Technologie haben wir die Empfindlichkeit auf den attomolaren Bereich gesenkt“, sagt Wang. Das entspricht dem Nachweis eines einzigen Tintentropfens in 20 olympischen Schwimmbecken.
Die Technologie verspricht, die Viruslast direkt aus Körperflüssigkeiten zu ermitteln, ohne die komplizierte Probenvorbereitung, die bei PCR-basierten Methoden erforderlich ist. In Vortests mit echten Coronavirus-Partikeln erreichte NasRED eine Sensitivität, die mit der von Abbott ID NOW vergleichbar ist, einem beliebten molekularen Test für viele Krankheiten wie COVID-19.
„Eine der Stärken unseres Sensors ist seine hohe Modularität“, sagt Wang. „Die Nanopartikel sind so konzipiert, dass wir verschiedene Proteine problemlos austauschen können, sodass dieselbe Plattform für viele verschiedene Krankheiten angepasst werden kann. Wir haben diesen Ansatz bereits in unserer Forschung an Shiga-Toxin-produzierenden E. coli-Bakterien sowie an Krebs-Biomarkern, Alzheimer-assoziierten Proteinen, Lyme-Borreliose und der Afrikanischen Schweinepest demonstriert.“
