Neue Methode zum Corona-Nachweis in Arbeit Optischer Sensor soll Viren in der Luft erkennen

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Ein Corona-Nachweis ohne Abstrich? Mit einem optischen Biosensor wollen Forscher aus der Schweiz das neuartige Cornonavirus über Luftproben detektieren. So könnte man möglicherweise an stark besuchten Orten oder in Lüftungssystemen von Krankenhäusern die Viruskonzentration messen. Dass die Technik sogar sehr ähnliche Viren unterscheidet, haben erste Tests bereits gezeigt. Zum fertigen System braucht es aber noch Entwicklungsarbeit.

Zürich, Dübendorf/Schweiz – Tests auf das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 sind stark gefragt und noch nicht in ausreichender Menge verfügbar, um den aktuellen Bedarf zu decken. Daher erhöhen Testhersteller so weit wie möglich ihre Produktion und in Laboren wird an neuen Testmethoden geforscht – so auch bei Prof. Dr. Jing Wang und seinem Team von der Empa und der ETH Zürich.

Gewöhnlich entwickeln die Forscher um Wang Methoden, um Luftschadstoffe wie Aerosole und künstlich hergestellte Nanopartikel zu messen und zu vermeiden. Doch die aktuelle Lage hat neue Ziele und Strategien in den Fokus gerückt. Jetzt arbeiten sie an einem Sensor, der SARS-CoV-2 schnell und zuverlässig detektieren soll.

Von der Schadstoffanalyse zum Viren-Sensor

Ganz so weit weg von der bisherigen Forschungsarbeit der Gruppe ist die neue Idee jedoch nicht: Bereits vor der Corona-Pandemie forschten Wang und seine Mitarbeiter an Sensoren, die Bakterien und Viren in der Luft feststellen können. Bereits im Januar reifte daher der Plan, einen Sensor so weiterzuentwickeln, dass er einen spezifischen Virus wie SARS-CoV-2 zuverlässig identifiziert.

Der Sensor soll die etablierten Labortests nicht unbedingt ersetzen, sondern könnte als alternative Methode für die klinische Diagnose genutzt werden. Und insbesondere, um die Virenkonzentration in der Luft in Echtzeit zu messen, etwa an stark frequentierten Orten wie Bahnhöfen oder in Krankenhäusern.

Die meisten Labors verwenden die „Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction“, kurz RT-PCR, um Viren bei Infektionen der Atemorgane aufzuspüren. Diese molekulare Testmethode ist zwar etabliert und kann bereits winzige Mengen der Viren aufspüren, stellt aber nicht den einzigen Weg dar, das neuartige Coronavirus zu aufzuspüren.

Moleküle auf Gold-Nanoinseln nachweisen

Wang hat mit seinem Team eine alternative Testmethode entwickelt, die auf einem optischen Biosensors basiert und in Zukunft den Virusnachweis aus der Atem- oder Umgebungsluft ermöglichen könnte. Der Sensor kombiniert zwei Effekte, um das Virus aufzuspüren: einen optischen und einen thermischen.

Der optische Effekt ist die Lokale Oberflächenplasmonenresonenz (localized surface plasmon resonance, LSPR). Sie ermöglicht, dass der Sensor überhaupt Moleküle nachweisen kann. Dazu ist die Oberfläche mit winzigen Strukturen aus Gold bedeckt. Fällt Licht einer bestimmten Wellenlänge auf diese Gold-Nanoinseln, so erzeugt es ein so genanntes plasmonisches Nahfeld um die Nanostruktur. Dieses Phänomen ist die LSPR.

Wenn allerdings Moleküle an einer Gold-Nanoinsel andocken, ändert sich genau dort der optische Brechungsindex in dem plasmonischen Nahfeld, was sich mit einem optischen Sensor messen lässt.

Die richtige Temperatur ist entscheidend zum Virusnachweis

Damit der Sensor nicht einfach irgendwelche Moleküle nachweist, sondern gezielt die neuartigen Coronaviren erkennt, haben die Forscher die Gold-Nanoinseln mit künstlich hergestellten DNA-Sequenzen beladen. Diese passen genau zu bestimmten RNA-Sequenzen des SARS-CoV-2-Virus, sodass nur die gesuchte Virus-RNA an den Nanoinseln andocken kann. Dies funktioniert aber nur bei einer bestimmten Temperatur, weshalb sich die Forscher einen weiteren Effekt zu Nutze machen: Den plasmonischen photothermalen Effekt (PPT), der dafür sorgt, dass eine Nanostruktur durch bestimmtes Licht wärmer wird.

So lässt sich die Temperatur der Nano-Goldinseln erhöhen, bis die Schmelztemperatur der darauf befindlichen künstlichen DNA-Moleküle erreicht ist. Deren Doppelstränge spalten sich dann in zwei Einzelstränge auf. Senkt man die Temperatur wieder unter die Schmelztemperatur, können sich erneut Doppelstränge bilden – auch mit der komplementären Virus-RNA, die von Natur aus als Einzelstrang vorliegt.

Wichtig ist, dass die Temperatur nur minimal unterhalb der Schmelztemperatur der DNA liegt, da bei deutlich tieferen Temperaturen auch andere RNA-Moleküle als die von SARS-CoV-2 an die künstliche DNA binden können. Das würde zu falschen Testresultaten führen. Ist die Umgebungstemperatur hingegen nur leicht tiefer als die DNA-Schmelztemperatur, können sich nur noch komplementäre Stränge zusammenfügen. Und genau dies ist das Resultat der erhöhten Umgebungstemperatur, die durch den PPT-Effekt im optischen Biosensor von Wangs Team verursacht wird.

Unterscheidung zwischen ähnlichen Coronaviren gelungen

Um zu zeigen, wie zuverlässig der neue Sensor den aktuellen COVID-19-Virus feststellt, testeten ihn die Forscher mit einem sehr nah verwandten Virus: SARS-CoV. Dabei handelt es sich um das Virus, das 2003 die SARS-Pandemie auslöste. Die beiden Viren – SARS-CoV und SARS-CoV-2 – haben sehr ähnliche RNA; eine eindeutige Unterscheidung ist also schwierig. Doch das Experiment gelang: „Unsere Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr ähnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren unterscheiden kann“, sagt Studienleiter Wang.

Im Moment ist der Sensor zwar noch nicht bereit, um die Coronaviren-Konzentration in der Luft zu messen. Dazu sind noch einige Schritte nötig – etwa ein System, welches die Luft ansaugt, die Aerosole darin konzentriert und die RNA aus den Viren isoliert. „Das braucht noch Entwicklungsarbeit“, betont Wang. Doch ist der Sensor erst einmal fertiggestellt, könnte sich das Prinzip auch auf andere Viren anwenden lassen – und dazu beitragen, dass künftige Epidemien frühzeitig detektiert und vielleicht sogar gestoppt werden können.

Originalpublkation: G Qiu, Z Gai, Y Tao, J Schmitt, G A Kullak-Ublick, J Wang: Dual-Functional Plasmonic Photothermal Biosensors for Highly Accurate Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Detection, ACS Nano 2020; DOI: 10.1021/acsnano.0c02439

* K. Weinmann, EMPA Eidgenössische Materialprüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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