Neuer Sensor findet SARS-CoV-2 und andere Viren

Durch die Ionen-Spur-Nanotechnologie der GSI-Materialforschung entsteht eine hochempfindliche Nanopore. (Foto: GSI/FAIR)

Ein Sensor bildet die Basis für ein neues Testverfahren, das SARS-CoV-2 mit der gleichen Empfindlichkeit wie ein PCR-Test und in nur zwei Stunden im Speichel nachweist, ohne dass die Probe vorbehandelt werden muss.

In einer Pandemie ist der einfache und schnelle Nachweis von Viren ist entscheidend. Auf der Basis von Single-Nanopor-Membranen von GSI hat ein internationales interdisziplinäres Forscherteam das neue Testverfahren zur Erkennung von das SARS-CoV-2 entwickelt. Der Sensor kann zudem infektiöse von nicht-infektiösen Coronaviren unterscheiden.

Hochempfindlicher Nanoporen-Sensor

Durch die Verknüpfung verschiedener Technologien hat ein interdisziplinäres Team von Forschenden den hochempfindlichen Nanoporen-Sensor entwickelt. Die Expertinnen und Experten kommen aus der Materialforschung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, des Nationalen Wissenschaftlichen und Technischen Forschungsrates (CONICET) in Argentinien und der University of Illinois in den USA.

Präzise und schnell

Der neue Sensor ist in der Lage, gezielt SARS-CoV-2-Viren und humane Adenoviren in verschiedensten Proben wie Speichel, Serum oder Umweltproben wie Abwasser nachzuweisen. Dazu kombiniert er zwei Komponenten. Dabei handelt es sich um einen empfindlichen Nanokanal und hochspezifische DNA-Moleküle, die an der Kanaloberfläche angebracht sind. Nach Angaben der Forschungsgruppen ist die Methode genauso präzise wie PCR-Tests, aber einfacher und schneller und liefert Ergebnisse in weniger als zwei Stunden. 

Die Technologie zur Herstellung von Membranen mit einzelnen Nanoporen wurde am GSI über viele Jahre entwickelt. Dünne Polymerfilme werden am Linearbeschleuniger UNILAC mit einem einzelnen hochenergetischen Schwerionenprojektil (z.B. 1 GeV Goldion) beschossen. Dort, wo das Ion die Folie passiert, erzeugt es eine nanoskopische Schadensspur, die durch chemisches Ätzen in einen offenen Nanokanal umgewandelt wird. Der Durchmesser und die Form des Kanals werden durch die Ätzparameter eingestellt. Für diese Arbeit wurden asymmetrische Nanoporen mit einer kleinen Öffnung von weniger als 50 Nanometern hergestellt. Die geringe Größe und die spezifische Geometrie gewährleisten eine besonders hohe Empfindlichkeit für Transportprozesse durch den Kanal.

Die Selektivität des Sensors wird durch einen In-vitro-Selektionsprozess für DNA-Fragmente erreicht, sogenannte Aptamere, die in die Nanopore eingebaut werden. Diese Aptamere sind in der Lage, das Virus zu erkennen. Außerdem können sie ermitteln, ob es infektiös ist oder nicht. 

Wesentliche Neuerung

Dass mit Ihrer Methode infektiöse und nicht infektiöse Viren unterschieden werden können, ist den Forschenden zufolge eine wesentliche Neuerung. Die bekannten PCR-Tests weisen virales Erbgut nach, können aber nicht unterscheiden, ob eine Probe infektiös ist oder ob eine Person ansteckend ist. Ob ein Virus infektiös ist oder nicht, gibt Aufschluss darüber, ob Patienten ansteckend sind.

Außerdem bietet die Erkenntnis auch eine Möglichkeit herauszufinden, ob bestimmte Inaktivierungsstrategien tatsächlich funktionieren. Die einzigen Tests, die derzeit infektiöse Viren nachweisen können, sind Plaque-Tests. Sie erfordern jedoch eine spezielle Vorbereitung und tagelange Inkubation, bevor sie Ergebnisse liefern. Der neue Sensor hingegen ist in der Lage, Ergebnisse innerhalb von 30 Minuten bis zu zwei Stunden zu liefern. Zudem ist keine Vorbehandlung der Probe erforderlich. 

Die Forschenden sind davon überzeugt, dass ihre Nanoporen-Sensortechnologie hat auch über die Corona-Pandemie hinaus großes Potenzial hat. Sie konnten bereits infektiöse humane Adenoviren nachweisen, die weltweit für wasserbedingte Atemwegserkrankungen verantwortlich sind. 

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