Erster Schnelltest für mpox entwickelt, kann für andere neu auftretende Krankheiten angepasst werden

Der erste Schnelltest für mpox, besser bekannt als Affenpocken, wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Penn State entwickelt. Der selektive molekulare Sensor kann das Virus innerhalb von Minuten nachweisen, ohne den Einsatz von High-End-Instrumententechniken wie der Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Bei aktuellen Tests müssen Gesundheitsdienstleister Läsionen abtupfen und die Proben zum Testen an Labore senden, was mehrere Tage dauern kann.

Die Technik, über die kürzlich in der Zeitschrift berichtet wurde Fortschrittliche Funktionsmaterialienverwendet Nanomaterial-Heterostrukturen – nulldimensionale kugelförmige Goldnanopartikel und zweidimensionale Hafniumdisulfid-Nanoplättchen – als Bausteine, um eine Plattformtechnologie zu schaffen, die zum Nachweis von Spuren genetischen Materials in biologischen Proben geeignet ist.

„Dies ist ein großer Durchbruch in Bezug darauf, wie wir mit dem Virus umgehen, da es der erste Schnelltest für mpox ist“, sagte Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck-Lehrstuhlprofessor für Nanomedizin an der Penn State, der die Studie leitete. „Während die aktuellen Fallzahlen relativ niedrig sind, könnten die Fälle mit zunehmender Erwärmung und zunehmender Aktivität der Menschen wie im letzten Sommer zunehmen.“

„Aber es ist auch wichtig anzumerken, dass diese neue Technologie uns helfen kann, uns auf die nächste Epidemie oder sogar Pandemie vorzubereiten“, sagte Pan, der auch Professor für Nukleartechnik und Materialwissenschaft und -technik ist. „Mit einer leichten Modifikation der Moleküle, die zum Targeting der genetischen Sequenzen verwendet werden, werden wir in der Lage sein, andere Viren, Bakterien oder Pilze mit der gleichen Methode spezifisch nachzuweisen.“

In den 1970er Jahren wurde der erste menschliche MPOX-Fall in der Demokratischen Republik Kongo identifiziert und galt nur in Nigeria und einigen Teilen Zentral- und Westafrikas als endemisch. Seit Mai 2022 hat sich das Virus in mehr als 100 Ländern verbreitet und weltweit über 86.900 Infektionen verursacht, wobei sich etwa ein Drittel der weltweiten Fälle auf die Vereinigten Staaten konzentriert.

Das Mpox-Virus wird hauptsächlich durch engen Körperkontakt übertragen und verursacht eine Krankheit mit ähnlichen Symptomen wie Pocken, wenn auch weniger schwerwiegend. Eine wachsende Zahl von Forschungsergebnissen der Centers for Disease Control and Prevention zeigt, dass Menschen das MPOX-Virus Tage vor dem Auftreten von Symptomen auf andere übertragen können, was die Früherkennung durch Tests zu einem entscheidenden Instrument zur Eindämmung der Ausbreitung macht.

Gegenwärtig sind Therapeutika und Impfstoffe mit zwei Dosen nach wie vor unzureichend, um die Ansteckung zu stoppen, sodass eine schnelle Diagnose die einzige Option zur Eindämmung der Krankheit ist, erklärte Pan. PCR ist der einzige verfügbare, von der FDA zugelassene Test, der für mpox bekannt ist, trotz seiner Einschränkungen in Bezug auf die komplexe Probenentnahme, den Transport und den unzureichenden Zugang zu fortschrittlichen Instrumenteneinrichtungen. Ein Schnelltest, der nur eine kleine Probe eines Läsionsabstrichs und eine kurze Wartezeit auf Ergebnisse erfordert, könnte die Übertragungsrate des Virus dramatisch verlangsamen, fügte er hinzu.

„Wir waren an der Entwicklung einer empfindlichen Nachweismethode für Krankheitserreger im Allgemeinen interessiert und wollten das Konzept auch auf einen neu auftretenden Krankheitserreger wie MPOX anwenden, da dieser schnelle Nukleinsäuretest in der Praxis dringend erforderlich ist“, sagte Pan. „Diese Technologie wird erhebliche Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit haben.“

Die Technologie verwendet „plasmonische“ Nanopartikel, winzige Metallpartikel mit einzigartigen optischen Eigenschaften aufgrund ihrer Größe und Form. In diesem Fall handelt es sich bei dem nanoskaligen Metallpartikel um Gold, das so klein veredelt ist, dass es als nulldimensional gilt. Es ist mit Hafniumdisulfid beschichtet, einer anorganischen, zweidimensionalen, nur wenige Atomlagen dicken Verbindung aus Hafnium und Schwefel.

„Es gibt viele plasmonische Tests für Krankheitserreger“, sagte Pan. „Aber dies ist das erste Mal, dass wir gezeigt haben, dass ein nulldimensionales plasmonisches Partikel und zweidimensionale Nanoplättchen eine Heterostruktur bilden, die zu einer Verstärkung des Plasmons führt, was wiederum eine Verbesserung der Empfindlichkeit bietet.“

Das nulldimensionale Gold-Nanopartikel und das zweidimensionale Hafniumsulfid interagieren, um Heterostrukturen zu bilden, die als hochpräzise Sensoren fungieren, mit optischen Eigenschaften, die sich in Gegenwart externer Auslöser, wie z. B. genetischem Material, dramatisch ändern.

„Unsere Arbeit befasst sich mit Plasmonik, also der Manipulation des Lichtflusses mithilfe von nanostrukturierten metallischen Materialien“, sagte Pan. „Durch den Einsatz neuartiger Materialien und Chemie versuchen wir zu verstehen, wie diese Plasmoneneigenschaften manipuliert werden, um auf verschiedene biologische Signale zu reagieren.“

In diesem Fall stammte das Signal von Spuren viraler DNA, insbesondere der konservierten Region des MPOX-Virusgenoms, die keinen Mutationen unterliegt. Nanopartikel wurden in der Vergangenheit verwendet, um Veränderungen in biologischen Systemen zu beobachten, sagte Pan, aber dies ist das erste Mal, dass zwei nanoskalige Objekte in zwei verschiedenen Dimensionen eingesetzt wurden, um einen neu auftretenden Krankheitserreger zu erkennen.

„Diese Technik erfordert keine teure Ausrüstung oder Fachpersonal und kann auf zukünftige Mutationen oder neu auftretende Krankheitserreger zugeschnitten werden“, sagte Pan.

Er erklärte, dass sein Labor das System jetzt gegen eine Reihe anderer Krankheitserreger testet, um seine breite Anwendbarkeit für den Virusnachweis zu bestätigen. Sobald der Test klinisch validiert ist, wird das Labor nach kommerziellen Partnern suchen, die mit ihnen zusammenarbeiten, um die Technologie auf den Markt zu bringen, fügte Pan hinzu.

„Wissenschaftler sind bestrebt, der Öffentlichkeit modernste, fortschrittliche Technologien zur Verfügung zu stellen, die es ihr ermöglichen, sich selbst zu diagnostizieren oder am Point of Care diagnostiziert zu werden“, sagte Pan. „Das haben wir getan.“