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Erregerdiagnostik Das Taschentuchlabor – Schnellere Diagnostik mit Sensor-Aktor-Molekülen

| Autor / Redakteur: Marc Platthaus / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Prof. Frank Bier erläutert die weltweit einzige Initiative, in der die Life Sciences und die Polymerforschung verbunden werden, um die molekulare Integration in der Erregerdiagnostik voranzutreiben. Im LP-Interview beschreibt er die Chancen, die das Projekt „Das Taschentuchlabor – Impulszentrum für integrierte Bioanalyse“ bietet. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus

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„Nach der Probennahme bekommt man dann im Idealfall nach wenigen Minuten eine Farbreaktions-Antwort.“ Prof. Frank Bier, Sprecher des Projekts „Das Taschentuchlabor - Impulszentrum für Integrierte Bioanalyse“, Fraunhofer IBMT
„Nach der Probennahme bekommt man dann im Idealfall nach wenigen Minuten eine Farbreaktions-Antwort.“ Prof. Frank Bier, Sprecher des Projekts „Das Taschentuchlabor - Impulszentrum für Integrierte Bioanalyse“, Fraunhofer IBMT
(Bild: Fraunhofer IBMT)

LP: Schnelle medizinische Diagnostik zum Nachweis von Erregern ist zumeist immer noch ein zeitaufwändiger Prozess, der nicht gleich vor Ort durchgeführt werden kann. Herr Prof. Bier, Sie koordinieren am Fraunhofer IBMT das Projekt „Das Taschentuchlabor – Impulszentrum für integrierte Bioanalyse“. Was ist das Ziel?

Prof. Bier: Ziel des Taschentuchlabor-Projektes ist es, eine einfache Schnelldiagnostik für medizinisch relevante Erreger zu entwickeln. Einfach bedeutet hier, dass keine weiteren Laborgeräte für eine Auswertung der Tests erforderlich sein sollen. Und schnell bedeutet innerhalb weniger Minuten.

LP: Können Sie uns ein Beispiel geben?

Bier: Nehmen wir aus aktuellem Anlass das Beispiel Virusgrippe. Das Virus verändert sich von Jahr zu Jahr. So müssen wir im Projekt diejenigen Oberflächenstrukturen des Virus identifizieren, die konserviert sind, d.h. die sich über die Jahre nicht verändern, und die dennoch so spezifisch sind, dass sie nur im Grippevirus und nicht in anderen Viren vorkommen. So konzentrieren sich die Arbeiten in diesem Bereich gerade auf das Influenza-spezifische Hämagglutinin, ein Oberflächenprotein, mit dem sich das Virus an Wirtszellen anhaftet. Selbstverständlich adressieren wir im Projekt eine Vielzahl medizinisch relevanter Erreger, wie auch z.B. MRSA, Salmonellen, Campylobacter und andere. Für all diese Erreger sehen wir einen hohen medizinischen Bedarf für eine Schnelldiagnostik. Wenn wir dann wissen, über welche eigenen Strukturen wir diese Erreger am besten nachweisen können, nehmen wir uns ein Beispiel an unserem Immunsystem und generieren im Labor Antikörper gegen diese Strukturen. Diese Antikörper sind allerdings noch zu groß, um sie flexibel auf bestimmte Oberflächen aufzubringen. Daher grenzen wir die Bereiche der Antikörper ein, die für die Erkennung der Erreger notwendig sind, und stellen diese dann über Synthesen im Labor selbst her. Während ein normaler IgG-Antikörper aus ca. 1000 verknüpften Aminosäuren aufgebaut ist, erreichen wir so z.B. mit einer kurzen peptidischen Erkennungsstruktur aus nur acht Aminosäuren eine immer noch spezifische Erkennung von Influenza-Hämagglutinin. Diese bloße Erkennung ist allerdings noch nicht für das Auge sichtbar. Daher koppeln wir die im Projekt erzeugten Erkennungsstrukturen an wässrige Gele, so genannte Hydrogele, die später als Film auf flexible Träger aufgebracht werden könnten. In diese Hydrogele sollen gleichzeitig molekulare Schalter und Signalmechansmen eingekoppelt werden, so dass die Bindung eines Erregers innerhalb weniger Minuten zu einem für das bloße Auge sichtbaren Signal führt.

LP: Wie soll die Probenentnahme, Analyse und Diagnostik von Erregern in Ihrem Projekt erfolgen?

Bier: Die Probennahme wollen wir so einfach wie möglich gestalten. Denkbar sind beispielsweise modifizierte Taschentücher für den Nachweis von Influenza, in die man in der Arztpraxis oder vielleicht sogar auch zu Hause einfach seine Nase schnäuzt. In der Gastronomie kann man sich Wischtests mit entsprechend modifizierten Tüchern vorstellen, um nachzuweisen, dass sensible Räume z.B. die Küche frei von Erregern wie Salmonellen oder Campylobacter sind. Noch relevanter ist meines Erachtens der Krankenhausbereich. Hier könnten ebenfalls Wischtests dazu beitragen, die Sterilität bestimmter sensibler Bereiche wirklich auch nachzuweisen anstatt diese wie bisher gehandhabt einfach anzunehmen, nachdem intensiv gereinigt und desinfiziert wurde. Auch der Nachweis von MRSA und anderer resistenter Keime – ebenfalls über Wischtests – kann im Krankenhaus von großer Bedeutung sein und zur Sicherheit der Patienten beitragen. Nach der Probennahme durch schnäuzen oder wischen bekommt man dann im Idealfall nach wenigen Minuten eine Antwort durch eine sichtbare Farbreaktion, ob ein bestimmter Erreger gefunden wurde oder nicht. Denkbar wäre auch, aber das ist jetzt Zukunftsmusik, entsprechende Systeme in Textilien mit einzubinden, die dann als „intelligent smart materials“ den Kontakt mit bestimmten Erregern anzeigen. Hier beschreibe ich allerdings bereits fertige Produkte. Wir gehen mit unserem Projekt nicht ganz so weit. Wir entwickeln die Technologie und Prototypen, die dann hoffentlich so gut funktionieren, dass Sie von der Industrie aufgegriffen und zu fertigen Produkten weiterentwickelt werden. Und aus den im Projekt entwickelten Technologien, die wir als Sensor-Aktor-Moleküle bezeichnen, weil sie gleichzeitig erkennen und nachweisen, kann eine völlig neue Generation von diagnostischen Tests hervorgehen, die auch ohne für das Auge sichtbare Signale immer noch bestimmte Erreger weit spezifischer als zuvor nachweisen kann.

LP: Wo sehen Sie vorrangig die Einsatzfelder für das Taschentuchlabor? Wo gibt es Grenzen?

Bier: Einsatzfelder sehe ich überall dort, wo ein schneller Nachweis bestimmter Erreger unbedingt erforderlich ist. In der Arztpraxis kann so die Auswahl der wirksamsten Medikation unterstützt werden. Gastronomische Einrichtungen können die Sauberkeit ihrer Räume überprüfen. Krankenhäuser können nachweisen, dass Räume frei von kritischen Keimen oder sogar steril sind. Wir müssen allerdings wissen, nach was wir suchen. Auch wird es mit den angedachten einfachen Systemen nicht unmittelbar möglich sein, zu quantifizieren. So wie ein Schwangerschaftstest keine Aussage treffen kann, ob man „viel“ oder „wenig“ schwanger ist. Bei der Quantifizierung liegen ganz klar die Grenzen im System. Wir müssen den Spieß also umdrehen, und klar definieren, ab welcher Anzahl gebundener Erreger das Signal „Erreger vorhanden“ ausgelöst werden soll. Entsprechend müssen wir die Dichte unserer Erkennungsstrukturen und der molekularen Signalsysteme einstellen. Unter den 14 Projektpartnern haben wir auch hierfür Spezialisten. Wir werden noch bis Herbst 2014 vom BMBF gefördert, und ich bin mir sicher, dass dieser Zeitraum ausreichend ist, das Prinzip des „Taschentuchlabors“ erfolgreich zu demonstrieren.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Prof. Bier.

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