Das Maskentragen in der Pandemie ist mittlerweile zur Gewohnheit geworden. Damit die Maske aber wirklich vor einer Infektion schützt, müssen einige Dinge beachtet werden. Bei unsachgemäßem Gebrauch kann deshalb trotzdem das Risiko bestehen sich mit SARS-CoV-2 zu infizieren. Eine neue Idee wie sich das verhindern lässt, kommt nun von amerikanischen Forschern. Diese haben eine Möglichkeit gefunden Biosensoren in Gesichtsmasken und andere Textilien einzubauen. So lässt sich in Echtzeit Feedback über das Vorhandensein von Krankheitserregern, wie beispielsweise Coronaviren, erhalten.
Ergebnis per Knopfdruck
Die neuartigen Biosensoren können zudem individuell angepasst werden, sodass sie den Träger gezielt alarmieren, wenn sich bestimmte Viren, Krankheitserreger oder Toxine im Atem befinden. Die gemeinsame Arbeitsgruppe des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University und des Massachusetts Institute of Technology will mit dieser Technologie zunächst eine Gesichtsmaske herstellen, die überprüft, ob im Atem Coronaviren vom Typ SARS-CoV-2 vorhanden sind. Auf Knopfdruck werden dann die Biosensoren aktiviert und analysieren den Atem des Trägers. Innerhalb von 90 Minuten stellen die integrierten Biosensoren fest, ob eine Infektion vorliegt. Auch die Genauigkeit kann sich sehen lassen: Laut der Arbeitsgruppe liefert der Sensor ähnlich genaue Ergebnisse wie gängige PCR-Tests.
Analyselabor auf zwei Beinen
„Wir haben im Wesentlichen ein ganzes Diagnoselabor auf einen kleinen, auf synthetischer Biologie basierenden Sensor geschrumpft, der mit jeder Gesichtsmaske funktioniert und die hohe Genauigkeit von PCR-Tests mit der Schnelligkeit und den niedrigen Kosten von Antigentests kombiniert“, ergänzt Studienautor Peter Nguyen. „Zusätzlich zu den Gesichtsmasken können unsere programmierbaren Biosensoren in andere Kleidungsstücke integriert werden, um unterwegs gefährliche Substanzen wie Viren, Bakterien, Toxine und chemische Stoffe in der Umgebung nachzuweisen“, so Nguyen weiter.
Biologische Sensoren mit langer Haltbarkeit
Die Forschenden zeigen sich zudem besonders stolz auf den SARS-CoV-2-Biosensor, der aus der dreijährigen Forschung hervorgegangen ist. Dieser basiert auf einer Technologie, bei der dafür hergestellte Zellen die Fähigkeit besitzen DNA ablesen zu können und dabei bestimmte RNA und Proteine produzieren. Diese Zellen werden für die Lagerung gefriergetrocknet und wieder reaktiviert, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen. Das bringt den Vorteil, dass die biologischen Elemente des Sensors über lange Zeiträume hinweg lagerfähig sind und in weiterer Folge mit synthetischen Schaltkreisen versehen werden können, die die Reaktionen der Zellen bei Aktivierung in ein wahrnehmbares Signal umwandeln.
Grundstein bereits vor sechs Jahren gelegt
Die Technologie, auf die der Biosensor basiert, wurde schon im Jahr 2015 bei einem Zika-Virus-Ausbruch angewandt. Damals wurden ähnliche Biosensoren auf einem Stück Papier integriert, um ein tragbares und günstiges Diagnose-Werkzeug zum Nachweis des Virus zu ermöglichen. Die nun vorgestellten Biosensoren stellen die Weiterentwicklung dieser Technik dar: „Wir wollten einen Beitrag zur weltweiten Bekämpfung des Virus leisten und kamen auf die Idee, die Biosensoren in Gesichtsmasken zu integrieren, um SARS-CoV-2 zu erkennen“, erläutert Studienautor Luis Soenksen. Die Entwicklung des Sensors begann sodann im Mai 2020, wobei diese unter Quarantäne und strikter sozialer Distanzierung durchgeführt wurde.
Drei Reaktionen im Sensor liefern Ergebnis
Beim Start der Analyse durch einen Knopfdruck wird im ersten Schritt eine kleine Menge Wasser freigesetzt, die zur Aktivierung der Biosensoren führt. Wenn die Sensoren mit Coronaviren in Berührung kommen, findet zuerst eine Reaktion statt, bei der die Membran des Virus aufgeschnitten und dessen RNA freigelegt wird. Darauf folgt eine zweite Reaktion, bei der ein bestimmtes Gen im Spike-Protein des Virus kopiert wird. Diese Kopien werden dann durch eine dritte Reaktion wahrgenommen, wodurch ein Signal über das Vorhandensein von SARS-CoV-2 ausgelöst wird. Danach erfolgt das Ergebnis in Form eines einfachen Linienmusters wie bei einem Schwangerschaftstest, welches den Nutzer darüber informiert, ob im Atem SARS-CoV-2-Viren vorhanden sind oder nicht.
Auch für andere Krankheitserreger einsetzbar
Abschließend betonen die Forscher, dass diese Art der SARS-CoV-2-Biosensoren die erste tragbare und leicht anzuwendende Testmöglichkeit darstellt, die außerdem bei Raumtemperatur funktioniert und so ein schnelles Screening ohne Labor mit der Genauigkeit eines PCR-Tests ermöglicht: „Diese Arbeit zeigt, dass unsere gefriergetrocknete, zellfreie synthetische Biologie-Technologie auf Kleidung funktioniert und für neuartige diagnostische Anwendungen nutzbar gemacht werden kann, einschließlich der Entwicklung einer Gesichtsmasken-Diagnose“, betont auch Studienautor Prof. Jim Collins. Die Technologie sei ebenfalls auf andere Krankheitserreger, wie etwa Influenzaviren, übertragbar.
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