Powered by

ImmuStick – Neuartiger Schnelltest auf Krankheitserreger

In manchen Situationen kann ein Test auf Krankheitserreger lebenswichtig sein, beispielsweise in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie oder in Krankenhäusern. Bislang sind solche Tests jedoch relativ aufwendig und dauern je nach Erreger Stunden bis Tage. Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickeln derzeit den ImmuStick – einen Schnelltest für Mikroorganismen, der einfach wie ein Schwangerschaftstest anzuwenden ist und innerhalb weniger Minuten ein Ergebnis anzeigt.

Mit dem ImmuStick lassen sich Bakterien, Pilze, Viren oder deren pyrogene Bestandteile nachweisen. Beispielsweise ist es denkbar, in Trinkwasser bakterielle Verunreinigungen nachzuweisen. © Fraunhofer IGB

Unser körpereigenes Immunsystem sorgt normalerweise dafür, dass eindringende Krankheitserreger wie Bakterien, Viren oder Pilze möglichst schnell erkannt und unschädlich gemacht werden. Dabei reichen oft auch schon Bruchstücke des Erregers – sogenannte Pyrogene – aus, damit der Körper mit Fieber und Entzündung reagiert. Verantwortlich hierfür sind Rezeptoren des angeborenen Immunsystems, die bestimmte Strukturen erkennen, wie sie beispielsweise für Bakterienmembranen typisch sind, und Entzündungsreaktionen auslösen. Allerdings kann es dennoch passieren, dass Pyrogene in bestimmten Situationen, wie zum Beispiel bei geschwächten Intensivpatienten, in den Blutkreislauf gelangen und dort nicht ausreichend bekämpft werden können. Man spricht dann von einer Sepsis, einer Blutvergiftung. Auch heute noch sterben Schätzungen zufolge jährlich 18 Millionen Menschen an den Folgen.

Deshalb ist es wichtig, dass Medizinprodukte und Pharmaka oder die Oberflächen medizinischer Geräte, aber auch Trinkwasser und Lebensmittel auf Pyrogenfreiheit getestet werden können. Bislang sind diese Tests allerdings relativ aufwendig oder auf bestimmte Pyrogene limitiert. Zudem braucht man dafür geeignete Laborgeräte oder muss Tierversuche durchführen, und ein Ergebnis erhält man erst nach Stunden oder Tagen.

Immunbasierte Tests erkennen eingedrungene Mikroorganismen

Aus diesen Gründen beschäftigt man sich in der Gruppe Molekulare Zelltechnologie am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart seit einiger Zeit damit, alternative In-vitro-Testsysteme zu entwickeln, die auf Rezeptoren des angeborenen Immunsystems beruhen. Im Fokus der Forscher stehen vor allem sogenannte Toll-like-Rezeptoren (TLRs), die in den Körper eingedrungene Fremdstoffe erkennen und die Produktion fieberauslösender Stoffe einleiten. Auf der Basis dieser humanen Immunrezeptoren hat die Gruppe am Fraunhofer IGB schon vor rund zehn Jahren einen zellbasierten Test – PAMP-Assay genannt – entwickelt und patentieren lassen. Als PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns) werden hochkonservierte Strukturen vieler Mikroorganismen bzw. Pyrogene bezeichnet, zum Beispiel Lipopolysaccharide in den Zellwänden von Bakterien.

„Der PAMP-Test ist ein wertvolles und zuverlässiges Werkzeug, das wir schon vielfach für Medikamenten-Screenings oder den Nachweis fieberauslösender Stoffe eingesetzt haben, die wir meist als Auftragsuntersuchungen durchgeführt haben“, sagt Dr. Anke-Burger-Kentischer, die die Arbeitsgruppe leitet. „Aber leider ist er ziemlich aufwendig und dauert rund zwei Tage. Deshalb wollten wir die ganze Prozedur weiter vereinfachen und die Immunrezeptoren auf Teststreifen aufbringen.“ Die Idee dafür hatte die Zellbiologin schon lange, aber Zeit und Budget fehlten für die Realisierung. Forciert wurde das ImmuStick-Projekt dann vor einem Jahr mit Geldern des Discover-Programms, mit dem die Fraunhofer-Gesellschaft solche Vorhaben unterstützt, um die Machbarkeit einer Technologie zeigen zu können.

„Schwangerschaftstest“ für Krankheitserreger

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • a) Endogene Pyrogene: Aus Leukozyten freigesetzte Substanzen, die unter Vermittlung von Prostaglandinen zu einer schnellen Fieberreaktion führen. b) Exogene Pyrogene: Hitzebeständige, dialysierbare Oligo-, Poly- und Lipopolysaccharide oder Polypeptide, die aus apathogenen und pathogenen Bakterien stammen. Sie führen in der Blutbahn über Leukozytenaktivierung und Ausschüttung endogener Pyrogene zu einem Temperaturanstieg.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Assay ist ein standardisierter Reaktionsablauf zum Nachweis einer Substanz mit einer spezifischen Methode (Bsp.: ELISA).
Schematische Darstellung des ImmuSticks © Fraunhofer IGB

So entstand die Idee zum ImmuStick, einem Schnelltest zum Nachweis von Pyrogenen, der einem Schwangerschaftstest ähnelt, und bei dem Teile des angeborenen Immunsystems auf papierbasierten Teststreifen aufgebracht sind. Der Stick enthält ein Feld, auf das lediglich etwas Probenflüssigkeit getropft wird. Enthält die Probe Erreger oder ihre Bruchstücke, wird dies durch einen Farbstreifen in einem Sichtfenster angezeigt. „Zwischen Proben- und Ergebnisfeld findet eine biochemische Reaktion statt, und man erkennt dann nach spätestens zehn Minuten mit dem bloßen Auge, ob in der Probe etwas ist, das Fieber auslösen kann“, berichtet Dr.-Ing. Christina Kohl, die den ImmuStick in der Arbeitsgruppe mitentwickelt. „Für den Stick, der etwa 0,5 x 7 cm misst, braucht man auch keine besondere Laborausstattung und keine Kühlung; er ist lediglich sensibel für Luftfeuchtigkeit.“

Produktion des ImmuSticks: Aufbringung der Immunrezeptoren auf die Oberfläche des Teststreifens © Fraunhofer IGB

Für die biochemische Reaktion werden Rezeptoren des angeborenen menschlichen Immunsystems auf der Oberfläche des Sticks befestigt. Diese dienen als Fängermoleküle für das jeweils zu untersuchende Pyrogen und werden nach ihrem biologischen Vorbild im Labor hergestellt, wobei an der Pyrogen-Andockstelle zunächst einmal eine Art Platzhalter befestigt wird, der mit einem Farbstoff markiert ist. Wird nun eine Probe auf den Stick getropft, die Pyrogene enthält, verdrängen diese die Platzhalter, die mit einer deutlich niedrigeren Bindungsstärke an den Rezeptor binden können als die Pyrogene. Die „farbigen“ Platzhalter werden dadurch freigesetzt und wandern mit der Flüssigkeit durch den Teststreifen, bis sie im Sichtfenster des Ergebnisfelds als Farbstreifen zu erkennen sind. Dieses Farbsignal ist also der Hinweis darauf, dass die Probe Pyrogene enthält. „Zusätzlich muss im Ergebnisfenster auch noch eine farbige Kontrolllinie erscheinen, damit man weiß, dass der Test auch funktioniert hat, also zum Beispiel genügend Flüssigkeit aufgebracht wurde“, erklärt Kohl. „Dies ist vor allem wichtig, wenn der Test negativ ist.“

Erreger in Flüssigkeiten aller Art aufspüren

Der Test funktioniert mit flüssigen Proben aller Art: „Also beispielsweise Trinkwasser, Injektionslösungen – alles, was in den Menschen reinkommt“, sagt die Wissenschaftlerin. „Aber auch andere Medizinprodukte in fester Form, die man auflösen, oder Proben von Oberflächen, die man abwaschen kann, können getestet werden. Mit unserem zellbasierten PAMP-Assay haben wir vorher schon unzählige Proben untersucht: flüssige, feste, die sich auflösen, und auch, die sich nicht auflösen. Und alles hat gut funktioniert.“

So wäre es denkbar, den Test so weiter zu entwickeln, dass zukünftig auch menschliche Körperflüssigkeiten wie Speichel, Urin oder Blut untersucht werden können, wie die Ingenieurin sagt. Aber sie fügt hinzu: „Diese komplexen Flüssigkeiten mit zahlreichen Inhaltsstoffen bedeuten allerdings nochmals sehr viel mehr Entwicklungsarbeit. Aber es gibt auf dem Markt schon technologische Lösungen, die man hierfür übernehmen könnte – denkbar wäre das mittelfristig schon.“

Flexible Teststreifen erkennen mehrere Erreger gleichzeitig

Derzeit sind die Fraunhofer-Forscher jedoch noch dabei, den Teststreifen der ersten, einfacheren Version fertig zu entwickeln. „Einen Prototyp haben wir schon“, sagt die Wissenschaftlerin. „Zwar haben wir bisher leider noch keine Kooperationspartner, die mit uns daran arbeiten, den Test möglichst schnell auf den Markt zu bringen. Das Interesse auf der Anwenderseite ist aber groß.“

Auf dem Prototyp wurden Toll-like-Rezeptoren befestigt, die gramnegative Bakterien erkennen (TLR4). „Das System ist aber sehr flexibel, es ist auch noch um andere Rezeptor-Untergruppen erweiterbar“, berichtet Kohl. „Wir haben mit den TLRs aus unseren historischen Gründen begonnen, aber denkbar wären ganze Sets an Teststreifen oder auch Multiplex-Teststreifen, mit denen man Bakterien allgemein – grampositiv und -negativ – auf dem gleichen Stick erkennen könnte.“

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/immustick-neuartiger-schnelltest-auf-krankheitserreger/