Cambridge-Forscher haben einen neuen Test entwickelt, der mehrere Atemwegsviren gleichzeitig „fischt“, indem er einzelne DNA-Stränge als Köder verwendet und in weniger als einer Stunde hochgenaue Ergebnisse liefert.
Der Test verwendet DNA-„Nanobait“, um die häufigsten Atemwegsviren – einschließlich Influenza, Rhinovirus, RSV und COVID-19 – gleichzeitig nachzuweisen. Im Vergleich dazu können PCR-Tests (Polymerase-Kettenreaktion) zwar hochspezifisch und sehr genau sein, aber jeweils nur auf ein einzelnes Virus testen und es dauert mehrere Stunden, bis ein Ergebnis vorliegt.
Während viele gängige Atemwegsviren ähnliche Symptome haben, erfordern sie unterschiedliche Behandlungen. Durch das gleichzeitige Testen auf mehrere Viren stellen die Forscher sicher, dass Patienten schnell die richtige Behandlung erhalten, und könnten auch den ungerechtfertigten Einsatz von Antibiotika reduzieren.
Darüber hinaus können die Tests in jeder Umgebung verwendet und leicht modifiziert werden, um verschiedene Bakterien und Viren nachzuweisen, einschließlich potenzieller neuer Varianten von SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie.
Die winterliche Erkältungs-, Grippe- und RSV-Saison ist in der nördlichen Hemisphäre angekommen, und das medizinische Personal muss schnelle Entscheidungen über die Behandlung treffen, wenn Patienten in ihrem Krankenhaus oder ihrer Klinik auftauchen.
„Viele Atemwegsviren haben ähnliche Symptome, erfordern aber unterschiedliche Behandlungen: Wir wollten sehen, ob wir parallel nach mehreren Viren suchen können“, sagte Filip Bošković vom Cavendish Laboratory in Cambridge, der Erstautor der Arbeit. „Laut der Weltgesundheitsorganisation sind Atemwegsviren die Todesursache für 20 % der Kinder, die unter fünf Jahren sterben. Wenn Sie einen Test entwickeln könnten, der mehrere Viren schnell und genau erkennen könnte, könnte dies eine Menge bewirken Unterschied.“
Für Bošković ist die Recherche auch persönlich: Als kleiner Junge lag er fast einen Monat lang mit hohem Fieber im Krankenhaus. Die Ärzte konnten die Ursache seiner Krankheit nicht herausfinden, bis ein PCR-Gerät verfügbar wurde.
„Gute Diagnostik ist der Schlüssel zu guten Behandlungen“, sagte Bošković, der ein Ph.D. Studentin am St. John’s College, Cambridge. „Menschen kommen behandlungsbedürftig ins Krankenhaus und tragen möglicherweise mehrere verschiedene Viren in sich, aber wenn man nicht zwischen verschiedenen Viren unterscheiden kann, besteht das Risiko, dass Patienten eine falsche Behandlung erhalten.“
PCR-Tests sind leistungsstark, empfindlich und genau, aber sie erfordern, dass ein Stück Genom millionenfach kopiert wird, was mehrere Stunden dauert.
Die Cambridge-Forscher wollten einen Test entwickeln, der RNA verwendet, um Viren direkt nachzuweisen, ohne dass das Genom kopiert werden muss, aber mit ausreichend hoher Empfindlichkeit, um im Gesundheitswesen nützlich zu sein.
„Für Patienten wissen wir, dass eine schnelle Diagnose ihr Ergebnis verbessert, sodass der schnelle Nachweis des Infektionserregers ihr Leben retten könnte“, sagte Co-Autor Professor Stephen Baker vom Cambridge Institute of Therapeutic Immunology and Infectious Disease. „Für Beschäftigte im Gesundheitswesen könnte ein solcher Test überall im Vereinigten Königreich oder in jedem Umfeld mit niedrigem oder mittlerem Einkommen eingesetzt werden, was dazu beiträgt, dass Patienten schnell die richtige Behandlung erhalten und den Einsatz von ungerechtfertigten Antibiotika reduzieren.“
Die Forscher basierten ihren Test auf Strukturen, die aus DNA-Doppelsträngen mit überhängenden Einzelsträngen aufgebaut waren. Diese Einzelstränge sind der „Köder“: Sie sind darauf programmiert, bestimmte Regionen in der RNA von Zielviren zu „fischen“. Die Nanoköder werden dann durch sehr kleine Löcher, die Nanoporen genannt werden, geführt. Nanopore Sensing ist wie ein Laufbandleser, der molekulare Strukturen in Millisekunden in digitale Informationen umwandelt. Die Struktur jedes Nanoköders offenbart das Zielvirus oder seine Variante.
Die Forscher zeigten, dass der Test leicht umprogrammiert werden kann, um zwischen Virusvarianten zu unterscheiden, einschließlich Varianten des Virus, das COVID-19 verursacht. Der Ansatz ermöglicht aufgrund der Präzision der programmierbaren Nanobait-Strukturen eine nahezu 100-prozentige Spezifität.
„Diese Arbeit verwendet auf elegante Weise neue Technologien, um mehrere aktuelle Einschränkungen auf einmal zu lösen“, sagte Baker. „Eines der Dinge, mit denen wir am meisten zu kämpfen haben, ist die schnelle und genaue Identifizierung der Organismen, die die Infektion verursachen. Diese Technologie ist ein potenzieller Wendepunkt; eine schnelle, kostengünstige Diagnoseplattform, die einfach ist und überall für jede Probe verwendet werden kann. “
Ein Patent auf die Technologie wurde von Cambridge Enterprise, dem Kommerzialisierungszweig der Universität, eingereicht, und Co-Autor Professor Ulrich Keyser ist Mitbegründer eines Unternehmens, Cambridge Nucleomics, das sich auf den RNA-Nachweis mit Einzelmolekülpräzision konzentriert.
„Nanobait basiert auf DNA-Nanotechnologie und wird in Zukunft viele weitere spannende Anwendungen ermöglichen“, sagte Keyser, der am Cavendish Laboratory arbeitet. „Für kommerzielle Anwendungen und die Einführung in die Öffentlichkeit müssen wir unsere Nanoporen-Plattform in ein tragbares Gerät umwandeln.“
„Das Zusammenbringen von Forschern aus Medizin, Physik, Ingenieurwesen und Chemie hat uns geholfen, eine wirklich sinnvolle Lösung für ein schwieriges Problem zu finden“, sagte Bošković, der 2022 promoviert wurde. Auszeichnung der Cambridge Society for Applied Research für diese Arbeit.
Mehr Informationen:
Ulrich Keyser, Gleichzeitige Identifizierung von Viren und Virusvarianten mit programmierbarem DNA-Nanobait, Natur Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-022-01287-x. www.nature.com/articles/s41565-022-01287-x