Das Ende 2019 aufgetauchte SARS-CoV-2-Virus hat eine COVID-19-Pandemie mit bisher über 3,7 Millionen Todesfällen weltweit, mehr als 1 Million Todesfällen in Europa und knapp 90.000 Todesfällen in Deutschland verursacht. Derzeit verbreiten sich noch Varianten aus unterschiedlichen Ländern rasant aus und beschäftigen weltweit Politik, Wissenschaft und medizinisches Personal. Wir brauchen Technologien, die schnell, genau und tragbar sind, um den Nachweis zu erleichtern, wo immer er benötigt wird, und die keine teure, komplexe Laborausrüstung oder das Fachwissen hochqualifizierter Personen erfordern.

Antigen-, Antikörper- und Polymerase-Kettenreaktion (PCR) sind die gängigsten COVID-19-Testmethoden. Antigentests, oft auch als Schnelltests bezeichnet, sind Tests, die Proteine auf der Oberfläche des Virus identifizieren, um das Vorhandensein des Erregers festzustellen. In Verbindung mit einem chromatographischen Immunoassay liefern sie Tests innerhalb von Minuten, allerdings geht diese Schnelligkeit auf Kosten der Empfindlichkeit. Antikörpertests sind in der Regel serologische Tests, die die Antikörperreaktion auf SARS-COV-2 im Blut messen. Sie wird normalerweise vom menschlichen Immunsystem über Tage bis Wochen nach der Infektion mit dem Virus gebildet. Die PCR als Goldstandard in der Diagnostik verweist auf die höchste Sensitivität und Spezifität und ermöglicht die Identifizierung der Erreger nach einer Infektion. Die durchschnittliche Testdauer von ein bis zwei Stunden und die teuren Geräte verhindern jedoch, dass sie als Point-of-Care-Diagnostik in großem Umfang eingesetzt werden kann.

Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, hat das Fraunhofer IMM das Moving-Plug-System mit sogenannter oszillatorischer PCR entwickelt. Im Gegensatz zum konventionellen PCR-Thermocycling müssen beim Moving-Plug-System keine komplexen Heiz- und Kühlzyklen periodisch durchlaufen werden. Stattdessen wird die Reaktionsprobe wiederholt zwischen den vorgewärmten heißen und kühlen Temperaturzonen vor- und zurückbewegt. Dieses ultraschnelle Mikrofluidikmodul ermöglicht 30 PCR-Zyklen in sechs Minuten.¹ Die Anzahl der Pumpzyklen und die Temperaturen der Heizzonen können flexibel an die Anforderungen der jeweiligen PCR-Kits von Drittanbietern angepasst werden. 

Kürzlich ist es dem Team von Dr. Michael Baßler gelungen, 40 PCR-Zyklen auf einem Moving-Plug-System laufen zu lassen und ein quantitatives SARS-COV-2-Nachweisergebnis in weniger als 15 Minuten zu liefern. Damit ist die PCR-Methode so schnell wie ein Antigen-Schnelltest, dabei aber wesentlich sensitiver und spezifischer. Der Prototyp für das Analysegerät ist aus kostengünstigen Komponenten aufgebaut, so dass sehr geringe Gerätekosten möglich sind. Er ist sehr klein und tragbar (22 cm x 16 cm x 8 cm), die Größe entspricht der einer Spritzenpumpe, die üblicherweise im Labor verwendet wird. Es handelt sich um eine offene Plattform, die neben SARS-COV-2-Tests auch PCR-Kits von Drittanbietern aufnehmen kann. Der Einweg-Chip besteht aus einer vergleichsweise einfachen zweilagigen Kunststoffschicht und kann im Spritzguss hergestellt werden. Durch die Massenproduktion des Gerätes und der Verbrauchsmittel sind extrem niedrige Endverbraucherkosten für den PCR-Tests vor-Ort möglich.

Diese Arbeit wird teilweise unterstützt vom Ministerium für Wissenschaft, Bildung und Kultur des Landes Rheinland-Pfalz (Projekt MIKRO-DETECT).

Referenz:

¹ Brunklaus, S. et al. Fast nucleic acid amplification for integration in point-of-care applications. Electrophoresis 33, 3222–3228; 10.1002/elps.201200259 (2012).