Die Forschung, veröffentlicht im Fachjournal ACS Nano, wurde von Professor Amit Meller (Technion) geleitet und von seinem Postdoktoranden Dr. Yana Rozevsky, Dr. Tal Gilboa, Dr. Xander van Kooten und der Mitarbeiterin Dr. Diana Huttner – allesamt Forscher der Fakultät für Biomedizinische Technik am Technion – gemeinsam mit Professor Ulrike Stein und Dr. Dennis Kobelt vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin und der Charité Berlin durchgeführt.

Die Problemlage

Der RT-qPCR-Test, der heute am weitesten verbreitete Test für COVID-19, umfasst eine Reihe von Vorbereitungsschritten, darunter die Entnahme der Probe eines Patienten mit einem Tupfer, das “Öffnen” des Virus und die Extraktion der RNA daraus.

Im nächsten Schritt, der so genannten reversen Transkription (RT), werden spezifische “Ziel”-RNA-Sequenzen in die DNA-Form kopiert. Schließlich wird diese DNA durch eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) amplifiziert. Millionen von Kopien werden gemacht, so dass genügend DNA vorhanden ist, um nachgewiesen werden zu können, was schliesslich zu einer Diagnose für COVID-19 führt.

Aber, die RT-qPCR-Tests erfordern große Mengen spezieller Reagenzien, teure Laborausrüstung und hochqualifiziertes Fachpersonal. Darüber hinaus haben jüngste Studien gezeigt, dass sich die Testergebnisse von einem Tag auf den anderen ändern können und der massive Amplifikationsprozess erhebliche Fehler verursachen kann.

Aus diesen Gründen werden weltweit Anstrengungen unternommen, um schnellere, erschwinglichere und genauere Tests zu entwickeln. Diese Aufgabe ist besonders anspruchsvoll in Fällen, in denen die “Viruslast” (die Menge der viralen RNA) in einer Probe gering ist und sich der Erkennung so entziehen kann.

Nanoporen als Lösungsansatz und neuer Weg für den Covid-Schnelltest

Die neue Methode, die von Prof. Mellers Forschungsgruppe vorgestellt wurde, stützt sich auf originelle Technologien, die das Labor in den vergangenen zwei Jahrzehnten entwickelt hat, wobei nanofabrizierte Löcher (so genannte “Nanoporen”) verwendet werden, um einzelne biologische Moleküle abzutasten.

Die Wirksamkeit dieser Technologie wurde bereits in einer Reihe von anderen biomedizinischen Anwendungen nachgewiesen. Im Gegensatz zur herkömmlichen molekularen Diagnostik, die große Probenmengen mit Millionen von Kopien desselben Moleküls erfordert, analysiert die Nanoporen-Sensorik einzelne biologische Moleküle aus viel kleineren Proben.

Ein starkes elektrisches Feld wird verwendet, um einzelne DNA-Moleküle zu entfalten und durch das nanoskopische Loch, das elektrische oder optische Sensoren enthält, zu fädeln. Jedes Molekül, das durch das Loch geht, gibt eine charakteristische “Signatur” ab, die die Identifizierung und sofortige Zählung der Moleküle ermöglicht.

Dieser Ansatz eröffnet die Möglichkeit, die Diagnosesysteme zu miniaturisieren und gleichzeitig die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Tests zu verbessern und die Fälle zu erweitern, in denen die Verstärkung der PCR nicht effizient ist oder die Zuverlässigkeit des Tests beeinträchtigt.

Der kürzlich veröffentlichte Artikel stellt zwei Anwendungen dieser Methode vor: die Identifizierung von RNA-Molekülen, die das Auftreten von metastasierendem Krebs signalisieren, und den Nachweis von Coronavirus-RNA. Um eine eindeutige Erkennung zu ermöglichen, entwickelten die Forscher ein Verfahren, das nur die relevanten “Zielmoleküle” intakt lässt, während alle anderen abgebaut werden.

Hilft auch bei der Frühdiagnose von Krebs

In der ersten Anwendung demonstrierten die Forscher das Potenzial der Methode für die Früherkennung von metastasierendem Krebs, indem sie die Konzentrationen von MACC1 quantifizierten – eines der primären Gene, von dem bekannt ist, dass es die Bildung eines metastasierenden Zustands signalisiert.

Dank ihrer hohen Sensitivität gelang es der neuen Technik, die Expression des Gens in Krebszellen im Frühstadium der Krankheit (bekannt als Stadium I und II) zu quantifizieren – eine Herausforderung, der die PCR-basierten Technologien nicht gerecht wurden. Es versteht sich von selbst, dass die Chancen für eine erfolgreiche Behandlung umso besser sind, je früher diese genetischen Biomarker entdeckt werden.

Präzisere und schnellere Analyse vom Virus

Mit dem gleichen Ansatz wiesen die Forscher die RNA-Moleküle des SARS-CoV-2-Virus nach. Die im Artikel vorgestellte Technik ist nicht die erste, die einzelne Moleküle analysiert, aber sie umgeht jedoch Prozesse in der Probenbehandlung, die ein “Rauschen” und Fehler in das System einbringen.

Zwei dieser Prozesse, die das “Rauschen” und Fehler versursachen sind die “Probenreinigung”, bei der viele Zielmoleküle versehentlich verloren gehen, und zweitens die “DNA-Amplifikation”, die zu Fehlern und fehlerhaften Diagnosen führen kann.

Laut Prof. Meller “ermöglicht unser System eine quantifizierbare Erfassung der RNA-Genexpressionsniveaus mit einem relativ einfachen Nano-Sensorgerät, ohne dass die Probe gereinigt werden muss und ohne dass massive Amplifikationsprozesse erforderlich sind, die die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Tests beeinträchtigen könnten. Wir haben gezeigt, dass unsere Technologie das Niveau der genetischen Expression der ursprünglichen RNA-Moleküle während des gesamten Prozesses bewahrt. Auf diese Weise erhalten wir eine präzisere Analysemethode, die in beiden von uns untersuchten Kontexten – RNA-Biomarker für metastasierenden Krebs und das SARS-CoV-2-Virus – unerlässlich ist“.

Perspektive – Entwicklung eines tragbaren Gerätes

Mit weiteren Arbeiten wird erwartet, dass das Nanoporen-Sensorsystem zu einem tragbaren Gerät wird, das umständliche Laborausrüstung überflüssig macht. Die technologische und klinische Forschung wird an der Technion-Fakultät für Biomedizinische Technik in Zusammenarbeit mit der BioBank auf dem Rambam Health Care Campus fortgesetzt.

Gleichzeitig werden Schritte zur Kommerzialisierung der Technologie unternommen, um sie so bald wie möglich für den allgemeinen Gebrauch verfügbar zu machen.

Quelle/Sender (gekürzt, gruppiert): Technion