Detektor erkennt Coronaviren in fünf Minuten in Innenräumen

Durch die Kombination jüngster Fortschritte in der Aerosol-Probennahme-Technologie und einer hochempfindlichen Biosensortechnik haben Forschende am Center for Aerosol Science and Engineering am Department of Energy, Environmental and Chemical Engineering der Washington University in St. Louis einen Echtzeitmonitor entwickelt, der alle SARS-CoV-2-Virusvarianten in einem Raum in etwa fünf Minuten erkennen kann. Diesen Prototyp eines Luftmonitors stellen Dr. Joseph V. Puthussery und Kollegen in einer aktuellen Publikation im Journal »Nature Communications« vor.

 Die Forschenden integrierten dazu einen Biosensor in einen Luftkeimsammler, der auf Basis der Nasszyklon-Technologie arbeitet. Dabei dringt Luft mit sehr hoher Geschwindigkeit in das Probenahmegerät ein und vermischt sich zentrifugal mit der Flüssigkeit, die die Wände des Geräts auskleidet. Durch den sich so bildenden Oberflächenwirbel werden etwaig vorhandene Virusaerosole eingefangen und an einen ultrasensitiven Mikro-Immunelektroden-Biosensor weitergeleitet, der die Viren mithilfe von Nanokörpern nachweist.

Das Gerät arbeitet erstaunlich sensitiv und akkurat. So belegen Laborexperimente eine Empfindlichkeit von 77 bis 83 Prozent, wobei die Nachweisgrenze bei 7 bis 35 viralen RNA-Kopien/m³ Luft liegt.

Das kostengünstige Gerät könnte in Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen, Schulen und öffentlichen Orten zum Nachweis von SARS-CoV-2 und möglicherweise zur Überwachung auf andere Atemwegsvirus-Aerosole wie Influenza und das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV) eingesetzt werden.

Für den spezifischen Nachweis der in Aerosolen vorhandenen SARS-CoV-2-Partikel verwendeten die Forschenden Lama-Nanobodies. Diese Antikörper von Lamas besitzen keine leichten Ketten und binden daher an das Antigen nur mit der schweren Kette. In dem Echtzeitmonitor sind diese Nanobodies kovalent an einen Mikro-Immun-Elektroden-Biosensor (MIE) gebunden.

Der hier eingesetzte Sensor wurde von einem elektrochemischen Biosensor übernommen, der ursprünglich zum Nachweis von β-Amyloid bei der Alzheimer-Krankheit entwickelt wurde. Durch Austausch des Antikörpers wird nun statt des Amyloids SARS-CoV-2 innerhalb von 30 Sekunden nachgewiesen. 

»Der auf Nanokörpern basierende elektrochemische Ansatz ermöglicht den schnelleren Nachweis des Virus, da kein Reagenz oder viele Verarbeitungsschritte erforderlich sind«, sagte Professorin Dr. Carla M. Yuede, eine der Seniorautorinnen vom Department of Psychiatry der Washington University School of Medicine in St. Louis in einer Mitteilung. »SARS-CoV-2 bindet an die Nanokörper auf der Oberfläche, und wir können mithilfe einer Technik namens Differential-Puls-Voltammetrie die Oxidation von Tyrosinen auf der Oberfläche des Virus induzieren, um eine Messung der Virusmenge in der Probe zu erhalten.«

»Im Moment gibt es nichts, was uns sagt, wie sicher ein Raum ist«, sagt Professor Dr. John R. Cirrito von der Washington University, ebenfalls einer der Seniorautoren. »Wenn man mit 100 Leuten in einem Raum ist, möchte man nicht fünf Tage später herausfinden, ob man krank sein könnte oder nicht. Die Idee bei diesem Gerät ist, dass man im Wesentlichen in Echtzeit oder alle fünf Minuten erkennen kann, ob ein Virus vorhanden ist.«

Während die meisten bisher kommerziell verfügbaren Bioaerosol-Probenahmegeräte mit relativ niedrigen Durchflussraten arbeiten, saugt der hier vorgestellte Luftmonitor etwa 1000 Liter Luft pro Minute an, was ihn zu einem der Geräte mit der höchsten Durchflussrate auf dem Markt macht. Außerdem ist der Monitor mit einer Breite von etwa 30 cm und einer Höhe von etwa 25 cm kompakt und leuchtet auf, wenn ein Virus entdeckt wird. In diesem Fall sollte die Luftzirkulation in dem Raum erhöht werden.

Für die Forschenden ist die Entwicklung des Monitors noch nicht zu Ende. »Wir beginnen mit SARS-CoV-2, aber es gibt Pläne, auch Influenzaviren, RSV, Rhinoviren und andere wichtige Krankheitserreger zu messen, die routinemäßig Menschen infizieren«, sagt Cirrito in der Pressemeldung.