Schnelltests: Vom Ja/Nein bei Corona zu differenziertem Gesundheitsstatus

Spätestens seit der Corona-Pandemie kennt man
Antigen-Schnelltests. Ein Rachenabstrich oder eine Speichelprobe reichen
aus, um schnell eine mögliche Infektion festzustellen. Doch wie lassen
sich Schnelltests für noch anspruchsvollere diagnostische Fragen in der
Medizin nutzen? Im Zentrum der Forschung an Instituten der Zuse-
Gemeinschaft stehen der Einsatz mehrerer Analyte und damit die
gleichzeitige Beprobung auf verschiedene gesundheitliche Fragestellungen
ebenso wie Möglichkeiten zum Nachweis sehr geringer Konzentrationen von
Substanzen.

Am Göttinger Institut für Nanophotonik (IFNANO) setzt man dafür auf die
Weiterentwicklung von Analyseverfahren, die mit Teststreifen
funktionieren, wie man sie nicht nur von Corona-, sondern z.B. auch von
Schwangerschaftstests kennt. Das Grundprinzip dieser Teststreifen: Die
Analyte werden in wässrigen Medien gelöst dann mit Markern gemischt und
auf ein Trägermedium gegeben, auf dem sie bis zur Test- und Kontrolllinie
wandern. Die Analyte, wie zum Beispiel das Corona-Virusmaterial, binden
sich einerseits an den Marker, der aus einer Farbmarkierung wie z.B.
Goldnanopartikeln und dem Antikörper besteht, und anderseits an den
Antikörper an der Testlinie. Die Antikörper sind so aufgebaut, dass sie
selektiv d. h. möglichst nur einen Analyten, wie das Corona-Virusprotein,
binden. Durch das Anreichern der Marker auf den Linien verfärben sich
diese und man kann den Test mit bloßem Auge auslesen.

Verstärkung des Lichtfeldes an der Oberfläche mit rosa-violettem Effekt
Aufbauend auf diesem erfolgreichen Grundprinzip haben sich die Ansprüche
an solche Schnelltests allerdings erhöht. Das IFNANO forscht aktuell
intensiv an optischen Verfahren, mit denen sich auch über Schnelltests
sehr niedrige Konzentrationen von Stoffen nachweisen lassen. Gefragt sind
solche Methoden nicht nur in der Human-, sondern auch in der Tiermedizin.
Bei ihrem neuen Ansatz bedienen sich die Göttinger Forschenden für die
Schnelltests der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie. Das Signal
von Molekülen, die sich sehr nah an nanometergroßen Gold- oder
Silberpartikeln befinden, wird dabei enorm verstärkt. „Größe und Form der
Edelmetall-Nanopartikel sowie die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts
sind entscheidend für diese Signalverstärkung“, erklärt IFNANO-
Abteilungsleiter Dr. Hainer Wackerbarth und erläutert: „Speziell bei Gold
und Silber ist die Erzeugung sogenannter Oberflächenplasmonen besonders
ausgeprägt, so dass die Verstärkung des Lichtfeldes an der Oberfläche
erfolgen kann.“ Mit der Größe der Partikel hängt es auch zusammen, dass
die Testlinien mit Goldnanopartikeln rosa-violett erscheinen.

Cortisol-Test als Basis für weitere Entwicklungen
Im Veterinärbereich hat das IFNANO-Team mit seinem innovativen Ansatz
bereits Erfolg gehabt, nämlich beim Nachweis von Cortisol, dessen
Vorkommen je nach Konzentration Hinweis auf Wohlbefinden oder Stress bei
Rindern gibt. Das Muster der Farbintensität der rosagefärbten Test- und
Kontrolllinie korreliert mit der Cortisol-Konzentration.  „Hohe
Cortisolwerte geben Landwirt oder Tierarzt Hinweise darauf, dass die
Tiergesundheit im Auge behalten werden muss“, so Wackerbarth. Die
entwickelte Testmethode ist Ergebnis zweier vom
Bundeswirtschaftsministerium geförderter Projekte und wurde gemeinsam mit
den Unternehmen miprolab und inno-spec entwickelt. Dazu wird mit einem
Auslesegerät (Raman-System) der Test mit Laserlicht bestrahlt und das
rückgestreute Licht, das die Informationen enthält, mit einem Detektor
aufgefangen. „Anhand eines Cortisol-Tests konnte gezeigt werden, dass sich
das entwickelte Verfahren zur quantitativen Analyse sowie ebenfalls für
einen Test zum Nachweis verschiedener Analyte eignet“, betont Wackerbarth.
Gemeinsam mit inno-spec wurde das Auslesegerät entwickelt, mit dem das
Trägermaterial mit Test- und Kontrolllinie mit einen Linienstrahl statt
wie üblich einem Punktförmigen abgerastert wird. „Ziel dieses optischen
Aufbaus ist die Verbesserung der Nachweisgrenzen und eine höhere
Reproduzierbarkeit bei der quantitativen Bestimmung“, erklärt Wackerbarth.

Aufbauend auf diesem Erfolg hat sich das IFNANO das Ziel gesetzt, mit
Hilfe der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie zusammen mit dem
Unternehmen miprolab und mit dem Tierärztlichen Institut der Universität
Göttingen einen praxistauglichen Test zur Bestimmung von Substanzen mit
einer Konzentration im Picogramm-Bereich, das entspricht einem billionstel
Gramm, zu entwickeln. Mit der gleichzeitigen Bestimmung mehrerer
ausgewählter Substanzen, darunter des Proteins Interleukin 8, wollen wir
Praktikern per Schnelltest vor Ort differenzierte Aussagen zum
Gesundheitszustand ermöglichen“, erklärt Wackerbarth. Das Vorhaben ist
Teil des „Südniedersachsen Point of Care Clusters“, einem Bündnis aus
Mittelständlern, einem Großunternehmen und wissenschaftlichen Partnern.
Die im Veterinärbereich gesammelten Erfahrungen sollen perspektivisch in
die Humanmedizin einfließen.

Diagnostik u.a. von Autoimmun-, Stoffwechsel- und Infektionskrankheiten
Ähnlich wie beim IFNANO, so steht auch am Forschungszentrum für
Medizintechnik und Biotechnologie in Bad Langensalza (fzmb) bei der Arbeit
an Schnelltests im Fokus, mehrere Analyten aus einer einzigen Probe zu
bestimmen. Dazu gehören die Diagnostik von Autoimmun-, Stoffwechsel- und
Infektionskrankheiten, Allergie- und Nahrungsmittelunverträglichkeitstests
sowie Krebsanalytik und Biomarkersuche. „Unsere Entwicklungsprodukte
bieten hervorragende Perspektiven für neue Wege in der individualisierten
Diagnostik und personalisierten Medizin“, erklärt fzmb-Geschäftsführer Dr.
Peter Miethe. Die Auswertesysteme des fzmb ermöglichen nach seinen Angaben
die automatisierte, kundenspezifische Analyse auf verschiedenen
Trägerformaten wie Mikrotiterplatten, Objektträgern, Membranen und
kundenspezifischen Biosensoren. Als konkrete künftige Einsatzgebiete für
die Schnelltests strebt das fzmb u.a. das Erkennen autoimmuner
Schädigungen von Gehirnfunktionen beim Menschen an. Hierzu läuft aktuell
ein Projekt mit drei Forschungspartnern bei dem Thüringer Institut. Dabei
sollen erstmals mehrere Autoantikörper gleichzeitig bestimmt werden, um
eine differenzierte Diagnose, individualisierte Therapieeinstellung und
Verlaufskontrolle bei Patienten mit autoimmunen neuronalen Erkrankungen zu
gewährleisten.

Lab on a Chip-Technologie entwickelt
Kernkompetenz sind Schnelltests mit Hilfe der Bioanalytik auch bei Hahn-
Schickard. Neben klassischen Verfahren mit Teststreifen setzen die
Forschenden in Freiburg auf die „Lab on a Chip“-Technologie. Die von ihnen
entwickelte sogenannte LabDisk, das ist eine Kunststoff-Kartusche, die als
Träger für das Testmaterial dient und in ein mobiles Auslesegerät
eingeführt wird, hat sich nicht nur in medizinischen Anwendungen, sondern
auch in der Umweltanalytik, z.B. in der Qualitätssicherung von Wasser- und
Lebensmittelproben bewährt.

Fertigung wieder in Deutschland ansiedeln
Der Pharmabereich ist einer jener Sektoren, in denen Störungen von
Produktions- und Logistikketten, bedingt durch Lieferprobleme aus Fernost,
während und nach der Corona-Krise schmerzhaft spürbar wurde. „Die Arbeit
von Instituten der Zuse-Gemeinschaft ist ein Baustein, um in einigen
wichtigen Teilbereichen der Medizintechnik wieder mehr Souveränität zu
erlangen“, erklärt der Geschäftsführer der Zuse-Gemeinschaft, Dr. Klaus
Jansen.