Antivirale Oberflächen mit dynamischer Lichtstreuung analysieren Den Viren beim Scheitern zusehen

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Ein neues Analyseverfahren erlaubt es, Viren beim Durchdringen von Gesichtsmasken zu verfolgen. So lässt sich die Schutzwirkung verschiedener Maskentypen vergleichen. Das neue Verfahren soll nun die Entwicklung von Oberflächen beschleunigen, die Viren abtöten können.

Für manch einen war sie ein eher lästiges „Anhängsel“ der SarsCoV2-Pandemie: Die Gesichtsmaske. Doch ist es nahezu unumstritten, dass OP- oder FFP-2-Masken zusammen mit Abstandregeln, Kontaktbeschränkungen und anderen Hygieneregeln gerade zu Beginn der Pandemie eine (zu) schnelle Ausbreitung des Virus verhindert und damit viele Menschenleben gerettet haben. Doch wie lässt sich eigentlich prüfen, ob oder wie gut eine Maske tut, was sie soll: Viren und andere Partikel und Aerosole zurückhalten?

Derzeit lässt sich die Qualität von Gesichtsmasken mit rotgefärbter künstlicher Speichelflüssigkeit und Testpartikeln analysieren. Das an der Eidgenössischen Materialforschungsanstalt Empa verwendete Verfahren simuliert dabei den Vorgang einer Tröpfcheninfektion und wird derzeit von zertifizierten Testzentren eingesetzt, um die Qualitätssicherung von textilen Gesichtsmasken zu gewährleisten. Denn eine sichere Maske muss anspruchsvollen Anforderungen gerecht werden: Sie muss Keime abhalten, spritzenden Speicheltropfen standhalten und gleichzeitig die Atemluft ohne allzu großen Widerstand passieren lassen.

Will man jedoch neue Oberflächen und Materialien entwickeln, die Viren nicht nur abhalten, sondern auch abtöten, sind weitere Aussagen eines Analyseverfahrens nötig, um die Wirkung zu untersuchen. Die etablierten internationalen Normen zur Charakterisierung der antiviralen Eigenschaften von porösen und nicht porösen Oberflächen, ISO-Normen (ISO 18184 und ISO 21702), beinhalten aufwändige und damit kostspielige Standarduntersuchungen. Das „Particles-Biology Interactions“- und das „Biomimetic Membranes and Textiles“ -Labor der Empa in St. Gallen sowie Mymetics entwickeln daher gemeinsam mit klinischen Partnern Lösungen, die zuverlässige und kostengünstigere Verfahren auf dem Weg zu neuen antiviralen Oberflächen ermöglichen.

Erfolglose Viren

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen lassen zwar erkennen, dass einigen wenigen Viruspartikeln der Weg bis in die innerste Maskenschicht nah am Gesicht gelingt. Ob diese Viren aber noch infektiös sind, verraten die Bilder nicht immer. Das Ziel lautet daher, herauszufinden, an welcher Stelle ein Virus bei einer Tröpfcheninfektion an einer mehrschichtigen Maske scheitert, und welche Maskenbestandteile effizienter sein müssten. Hierzu werden neue Analyseverfahren benötigt, um die Schutzfunktion neu entwickelter Technologien wie virusabtötende Beschichtungen genau verstehen zu können. Genau dies erfolgte im Rahmen des Projekts ReMask, bei dem Expertinnen und Experten aus Forschung, Industrie und Gesundheitswesen gemeinsam mit der Empa im Kampf gegen die Pandemie neue Konzepte für bessere, komfortablere und nachhaltigere Gesichtsmasken entwickelten.

Fluoreszenz im Inneren

Für die Untersuchung nicht-poröser flacher Oberflächen wurden sterile Zellkulturplatten mit einer neuen anti-viralen Beschichtungslösung überzogen (Patentnummer PCT/EP2021/06058030) und anschließend mit einer Viruslösung inkubiert. Für die Analyse poröser Oberflächen wurden die Viruspartikel in einer Aerosolkammer auf Gesichtsmasken appliziert. Als Basis des neuen Verfahrens diente eine Lösung eines mit Farbstoff beladenen inaktivierten Influenza H1N1 Virusstamms. Die Viruskonzentration dieser Stocklösung betrug 1,5 x 10¹³ (±9,8 x 10¹⁰) Partikel mL^-1 bei einer stark homogenen Größe der Viruspartikel von 110,6 ±0,8 nm.

Die mit Octadecylrhodamin (R18) geladenen Influenzaviren setzten den Farbstoff frei, wenn die Virushülle geborsten ist. Da die Fluoreszenzmarkierung in der Virusmembran kompakt positioniert ist, zeigen intakte Viruspartikel eine Autofluoreszenz von lediglich 23 Prozent. Werden Viruspartikel aber beispielsweise mit dem Detergenz Octaethylenglykolmonododecylether (OEG) aufgeschlossen, sodass die Virusmembranen beschädigt sind, nimmt die Fluoreszenzemmission stark zu. Der Aufschluss der Virenpartikel wurde durch Messungen mittels dynamischer Lichtsstreuung (DLS) bestätigt. Dank der steigenden Fluoreszenz lässt sich demnach schnell, kostengünstig und verlässlich nachweisen, wann Viren abgetötet bzw. zerstört werden.

Leuchtende Maskenschichten

Mithilfe des neuen Verfahrens konnte so die Schicht verschiedener Maskentypen ermittelt werden, an der die meisten Viren abgehalten werden. So werden bei Stoff- und Hygienemasken die meisten Viren in der mittleren Schicht zwischen der inneren und der äußeren Schicht der Maske abgehalten. Bei FFP2-Masken leuchtete die dritte von sechs Schichten am stärksten – auch hier waren in der mittleren Schicht besonders viele Viruspartikel ausgebremst worden. Diese Erkenntnisse können jetzt genutzt werden, um Gesichtsmasken zu optimieren.

Antivirale Oberflächen

Das neue Fluoreszenz-basierte Verfahren kann darüber hinaus die Entwicklung von viruziden Oberflächen beschleunigen. Denn wo teure Standardtests für die Erfüllung von ISO-Normen nötig sind, könnte die Fluoreszenz-Methode der Empa eine einfachere, schnellere und kostengünstigere Möglichkeit sein, um als Ergänzung zu den aktuell gültigen Standards festzustellen, ob eine neu entwickelte Oberflächen-Beschichtung Viren zuverlässig inaktivieren kann. Dies betrifft nicht nur die Beschichtung von glatten Oberflächen, wie Arbeitsplatten oder Türgriffen. Das Verfahren lässt sich ebenso auf poröse Oberflächen, wie Masken oder Filtersysteme anwenden, wie die Maskenuntersuchungen gezeigt haben.

Das neue Verfahren wirkt bei der Entwicklung neuer technischer und medizinischer Anwendungen beschleunigend, da die Erkenntnisse aus den Analysen bereits in einer sehr frühen Phase des Entwicklungsprozesses integriert werden können. Dank dieser frühzeitigen Auslese müssen ausschließlich erfolgversprechende Design-Ideen die zeit- und kostenintensiven Normungstests durchlaufen.  (ott)

Originalpublikation:

Furer, L.A., Clement, P., Herwig, G. et al.: A novel inactivated virus system (InViS) for a fast and inexpensive as-sessment of viral disintegration. Scientific Reports 12, 11583, 10.1038/s41598-022-15471-5 (2022).

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