Neuartige Tests identifizieren Erreger in 30 Minuten

“Wir entwickeln sehr sensitive Methoden, um Moleküle oder Erreger in Körperflüssigkeiten aufzuspüren. Das kann für die Wahl der richtigen Therapie oder die Kontrolle der Wirksamkeit von Medikamenten entscheidend sein”, erklärt Martin Weber vom Austrian Insitute of Technology (AIT). Vor allem im Bereich der Infektionsdiagnostik spielt der Zeitfaktor eine große Rolle. “Bei akuten Situationen, etwa Blutvergiftungen, muss schnell entschieden werden, welcher Erreger vorliegt, um das richtige Medikament zu verabreichen”, so Weber. Heute wird in solchen Fällen eine Behandlung mit Breitband-Medikamenten eingeleitet und parallel dazu wird untersucht, um welchen Erreger es geht.

Das liegt daran, dass die gängige Methode nach Erregern zu suchen, das Anlegen von Bakterienkulturen ist. Das kann bis zu drei Tagen dauern, was eine hohe Sterberate nach sich zieht. “Wir haben ein Verfahren, mit dem wir Pathogene im Blut innerhalb von Sekunden aufkonzentrieren und dann in 30 Minuten auf die 50 häufigsten Erreger testen können”, erklärt Weber. Dazu wird Blut unter eine genau eingestellte Spannung gesetzt, wodurch die menschlichen Zellen kaputt gehen und die Bakterien herausgefiltert werden können. Dann wird das gefilterte Blut in einem mikrofluidischen System weiterverarbeitet. “Dabei werden geringste Mengen der Flüssigkeiten auf einem etwa Scheckkartengroßen Chip verarbeitet, der praktisch ein Minilabor ist. Spezialisierte Sonden docken dabei an die jeweils passenden Erregerabschnitte an und zeigen deren Präsenz durch fluoreszieren. Das heißt wir brauchen 50 spezialisierte Sonden, um 50 Erreger nachzuweisen”, sagt Weber.

Tests für zuhause

Ein ähnliches Verfahren funktioniert auch für Entzündungsbotenstoffe im Blut. Die Technik ist schon sehr gut erforscht, bis zum klinischen Einsatz dauert es aber noch. “Ein Industriepartner muss das System vermarkten, zudem dauert es in diesem Bereich oft einige Jahre, bis die erforderlichen Zulassungen erteilt werden”, so der AIT-Forscher. Das Gerät, das die Blutproben auf dem Chip analysiert, könnte schon bald auf einen Schreibtisch passen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass auch Arztpraxen und kleinere Kliniklaboratorien die Technik einsetzen können.

Für Heimanwender arbeiten die Forscher am AIT hingegen an anderen Lösungen. “Infektionsdiagnostik ist für Heimanwender wohl weniger interessant, aber gewisse Dinge, etwa die Überwachung einer Therapie, könnten durchaus zuhause erledigt werden. Allerdings sind die Anforderungen hier noch höher, da das Ergebnis zu 100 Prozent stimmen muss, wenn kein erfahrener Arzt da ist, um das Resultat einzuordnen”, so Weber.

Zukünftig könnte beispielsweise der Therapieerfolg auch mit einem simplen Speicheltest überwacht werden. “Dieser Diagnostik-Zweig ist noch recht jung, aber viele Proteine, Antikörper oder methylierte Nukleinsäuren können im Speichel verlässlich nachgewiesen werden, wenn die Methoden empfindlich genug sind. Damit ließe sich etwa der Impfstatus von Schulkindern problemlos überprüfen”, so Weber. Das Blut ersetzen kann Speichel nicht, aber für manche Einsatzgebiete, wie auch die medizinische Überwachung älterer Menschen, böte sich die unkomplizierte Methode an. Zudem ließen sich so Zeit und Kosten einsparen sowie rechtliche Probleme, die etwa die Blutabnahme durch ungeschultes Personal mit sich bringt, verhindern.

Labor auf einem Chip

Die Mikrofluidik-Systeme, die am AIT entwickelt werden, kommen für einige Fragestellungen mit extrem geringen Flüssigkeitsmengen aus. “Ein Chip-System braucht im besten Fall lediglich einige 100 Mikroliter und kann schon einzelne Erreger nachweisen”, so Weber. Im Fall von Bakterien können hier zudem Organismen nachgewiesen werden, die sich derzeitigen Methoden entziehen, weil sie sich nicht vermehren lassen. “Von den Bakterien in unserem Mund und Darm lassen sich lediglich drei bis vier Prozent mit klassischen Methoden im Labor vermehren. Hier gibt es noch viel zu entdecken”, so Weber.

Ein Problem, das die neuen Verfahren des AIT derzeit haben, ist der Preis. “Das gängige Verfahren, Kulturen anzulegen, ist sehr günstig. Das zu schlagen ist noch schwer, aber wenn sich die neuen Techniken durchsetzen, drücken Skaleneffekte die Kosten deutlich nach unten”, so Weber. Auch der Einsatz von gedruckten Elektronikbausteinen, die eine elektrochemische Analyse von Körperflüssigkeiten auf Plastik-Chips erlauben, könnte den Preis stark sinken lassen. Auch hier werden Organismen oder Moleküle mit speziellen Markern identifiziert. Das erlaubt das Erkennen derselben Organismen wie beim Fluoreszenz-Verfahren, aber ohne die optische Einheit, die dort im Analysegerät nötig ist. “Das kann sehr günstig, vielleicht sogar mit Stromversorgung aus dem Handy, erledigt werden. So könnte vor Ort getestet werden, ob Medikamente anschlagen, oder ob eine bekämpfte Krebserkrankung wieder akut wird”, sagt Weber.

Eine weitere Möglichkeit Körperflüssigkeiten zu analysieren, ist das Verwenden von magnetischen Markern. “Dadurch können wir auf einem Chip digitale Messungen vornehmen. Ein Chip kann 131.000 kleine Zellen haben, von denen jede einem Bit entspricht. Durch die digitale Auflösung können wir beispielsweise auf 128 verschiedene Erreger mit je 1.024 Messpunkten testen. Das Ergebnis ist im Gegensatz zu anderen Methoden genau quantifizierbar. Wir wissen anschließend, dass zum Beispiel in 27,5 Prozent der Proben eine Bindung des Markers stattgefunden hat”, so Weber. Damit können auch falsche Ergebnisse minimiert werden, indem eine große Anzahl verschiedener Proben eines Patienten auf denselben Erreger hin analysiert wird.

Dieser Artikel ist im Rahmen einer Kooperation zwischen futurezone und AIT entstanden.