Bekämpfung von Atemwegserkrankungen durch "Nano-Popcorn"-basierte Schnellerkennung
Virale Atemwegserkrankungen sind leicht übertragbar und können sich schnell über den Globus verbreiten und erheblichen Schaden anrichten. Die aktuelle COVID-19-Pandemie ist ein Beweis dafür. Auch in der Vergangenheit haben andere Viren massive Ausbrüche von Atemwegserkrankungen verursacht: So war ein Subtyp des Influenzavirus, das Virus vom Typ A H1N1, für den Ausbruch der Spanischen Grippe und der Schweinegrippe verantwortlich. Um solche Gesundheitskrisen in Zukunft zu verhindern, ist daher eine rechtzeitige und genaue Diagnose dieser Viren entscheidend. Genau darauf haben Forscher aus Korea in ihrer brandneuen Studie hingearbeitet.
Seit mehreren Jahrzehnten sind Assays auf Basis der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) der Goldstandard für den Nachweis von Influenzaviren. Und während diese Assays hochempfindlich sind, können sie teure Reagenzien und komplizierte Protokolle erfordern. Eine potenziell bessere Alternative kann die "oberflächenverstärkte Raman-Streuung" (SERS) sein. SERS-basierte Assays funktionieren, indem eine flüssige Probe auf ein Substratmaterial mit einer nanostrukturierten Edelmetalloberfläche aufgebracht wird. Virale Partikel aus den Proben werden erkannt, wenn sie mit substratgebundenen "Aptameren" hybridisieren, Molekülen, die an spezifische Zielmoleküle binden können. Diese Bindung wird visuell als Änderung der "Signalintensität" erkannt, die mit zunehmender Viruslast aufgrund von Konformationsänderungen auf dem Substrat abnimmt. Ein großer Nachteil dieser Assays ist jedoch die schlechte Reproduzierbarkeit der Signale von heterogenen Hot Junctions (elektronendichte Regionen, die zu den Signalen beitragen).
Um diese Herausforderung zu überwinden, haben die genannten Forscher der Chung-Ang Universität und des Korea Institute of Materials Science unter der Leitung von Professor Jaebum Choo ein neuartiges plasmonisches 3-D "Nano-Popcorn"-Substrat entwickelt. Zur Bedeutung ihrer Studie, die in der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht wurde, sagt Prof. Choo: "Infektionskrankheiten, verursacht durch Atemwegsgrippe-, SARS-, MERS- und SARS-2-Viren, können sich periodisch ausbreiten und sind eine Bedrohung für die globale Gesundheit. Unser SERS-basierter Aptasensor-Ansatz bietet in Zukunft eine neue Diagnoseplattform für Infektionskrankheiten der Atemwege."
In ihrem Design beschichteten die Wissenschaftler nacheinander zwei Schichten von Goldpartikeln auf ein Polymersubstrat mittels thermischer Verdampfung. Die beiden Schichten wurden durch die Behandlung mit einer Verbindung namens "Perfluordecanethiol" getrennt: (PFDT). Der Energieunterschied zwischen PFDT und Goldschicht bewirkte, dass die Goldionen an die Oberfläche diffundierten und Nanopartikel bildeten, die als gleichmäßig verteilte "Popcorns" erscheinen. Diese Anordnung verstärkte gemeinsam die erzeugte Signalintensität, indem sie mehrere "Hotspots" auf dem Substrat erzeugte.
Anschließend überprüften die Wissenschaftler die Leistungsfähigkeit des Assays mit verschiedenen Konzentrationen des H1N1-Virus. Sie detektierten erfolgreich unterschiedliche Viruslasten in nur 20 Minuten und aus einem winzigen Volumen von 3 μL (3 Mikroliter: ein 1000stel Teil von 3 ml). Darüber hinaus konnte das System auch verschiedene Stämme von Influenzaviren genau klassifizieren und erkannte H1N1-Viren mit einer dreifach höheren Sensitivität als die routinemäßig verwendeten ELISA-Tests. Darüber hinaus erwies sich der Assay als hoch reproduzierbar. Erfreut über die Ergebnisse erklärt Prof. Choo: "Unser Assay-System ermöglichte die ultrasensitive und zuverlässige Analyse des Influenzavirus. Eine solche Methode würde eine Diagnose im Frühstadium ermöglichen, die Einleitung einer antiviralen Behandlung erleichtern und eine Infektionsüberwachung bieten, insbesondere für Personen mit hohem Risiko für virusbedingte Komplikationen."
In der Tat ist das Team zuversichtlich, dass ihre Erkenntnisse eines Tages zur Bekämpfung der aktuellen Pandemie eingesetzt werden können. Prof. Choo sagt: "Wir entwickeln derzeit einen SERS-basierten Aptasensor für die schnelle Diagnose des Coronavirus aus menschlichen Atemwegsproben. Wir entwickeln auch einen neuen diagnostischen Ansatz, um zwischen Influenza-A-Viren und Coronaviren zu unterscheiden."
Es bleibt zu hoffen, dass der neue "Nano-Popcorn"-Assay in Zukunft bei der Bekämpfung vieler großer Gesundheitskrisen helfen kann.
Originalveröffentlichung:
Biosensors and Bioelectronics: Chen et al. (2020) – SERS imaging-based aptasensor for ultrasensitive and reproducible detection of influenza A virus
Quelle: Phys.org – Fighting respiratory virus outbreak through “nano-popcorn” sensor-based rapid detection