Elektronischer Bio-Sensor–SARS-CoV-2 Infektiositätsdetektion

Robert Strassl, Leiter der Abteilung für Klinische Virologie am Klinischen Institut für Labormedizin der Medizinischen Universität Wien, hat mit seinem interdisziplinären Team (Anna Nele Herdina, MedUni Wien; Patrik Aspermair, AIT; Miriam Klausberger, BOKU) vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) einen Forschungsgrant für die Entwicklung eines neuen elektronischen Biosensors zur Bestimmung von SARS-CoV-2 Varianten und Infektiosität erhalten. Die COVID-19 Pandemie fordert weiterhin täglich Todesopfer und stellt die Gesundheitssysteme vieler Länder vor ungeahnte Herausforderungen. Die rasche Erkennung sowie die Eindämmung neuer besorgniserregender Varianten des Coronavirus SARS-CoV-2 spielen eine wesentliche Rolle bei der Pandemiebekämpfung. Ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Behandlung und Isolierung von COVID-19 Patienten und Kontaktpersonen ist die Infektiosität. Ob ein Patient (noch) ansteckend ist, kann momentan nur mit einer zeitaufwändigen Zellkultur in speziellen Hochsicherheitslaboratorien bestimmt werden. Ziel dieses multidisziplinären Projektes ist es, einen neuartigen elektronischen Biosensor zur raschen Detektion von SARS-CoV-2 zu entwickeln. Die zugrundeliegende Technik soll zudem eine sofortige Bestimmung bekannter Virusvarianten ermöglichen und könnte ein Frühwarnsystem für neue Varianten darstellen. Vermehrungsfähiges, und damit potentiell ansteckendes, Virus soll detektiert werden, um die Infektiosität eines Patienten direkt bestimmen zu können. Diese neue Methode zur SARS-CoV-2 Detektion, sowie Varianten- und Infektiositäts-Bestimmung könnte einen Beitrag zur Eindämmung der Pandemie leisten und helfen Ressourcen zur Patientenisolation im Gesundheitswesen optimaler einzusetzen. Außerdem kann die neue Technik später leicht angepasst werden, um andere Viren und deren Infektiosität zu detektieren.

Wichtige Faktoren für die Behandlung und Isolierung von Patienten mit COVID-19 und anderen Infektionskrankheiten sind eine schnelle Diagnose und die Kenntnis über die Infektivität des Patienten. Die Viruskultur in speziellen Biosicherheitslabors ist zwar der Goldstandard für die Bestimmung der Infektiosität, ist aber zeitaufwändig und wird nicht für die Routinediagnostik verwendet. Deshalb haben wir Biosensor-Assays auf der Basis von Graphen-Feldeffekttransistor (gFET) Technologie für die SARS-CoV-2-Diagnose entwickelt und getestet: einen RNA-Nachweis-Assay, um auf das Vorhandensein des Virus zu testen, und einen weiteren für den Nachweis des Nukleokapsid (N)-Proteins als Indikator für die Infektiosität des Patienten. Ein Biosensor ist ein Gerät, das ein biologisches Signal, die Bindung eines biologischen Rezeptors an einen bestimmten Analyten in ein physikalisches Ausgangssignal umwandelt. Durch die Integration und Kombination eines optischen, Oberflächenplasmonresonanz (SPR), und eines elektronischen, gFET, Biosensorsystems legt unser Projekt den Grundstein für eine neue Generation von Biosensoren mit erhöhter Sensitivität und Spezifität. In der ersten Optimierungsphase haben wir ein Kombinationssystem angewandt, bei dem sowohl SPR als auch gFET gleichzeitig komplementäre Messwerte von derselben Sensoroberfläche liefern. Dies ermöglichte uns ein besseres Verständnis der biomolekularen Wechselwirkungen und die Korrelation mit Ergebnissen des gFET-basierten Biosensors im klinischen Umfeld. Für den Nachweis von SARS-CoV-2 E-Gen-RNA in klinischen Nasopharyngealabstrichen (pseudonymisiertes archiviertes Restmaterial) wurden einzelsträngige DNA-Sonden verwendet. Dieser RNA-Nachweis-Assay lieferte Ergebnisse, die hinsichtlich Sensitivität und Spezifität mit der RT-PCR vergleichbar waren. Für den N-Protein-Nachweis verwendeten wir einen spezifischen Antikörper als Sonde. Die Nachweisgrenze (LOD) für N-Protein des gFET-Biosensors lag bei 0,9 pM, was die Grundlage für die Entwicklung eines sensitiven Tests zur Beurteilung einer aktiven Virusinfektion bildet. In klinischen Proben stimmten die Ergebnisse des gFET-basierten N-Protein-Nachweises mit den Ergebnissen der Viruskultur überein und zeigten somit die Eignung des Biosensors als Indikator für Infektiosität. Darüber hinaus haben wir eine standardisierte NaCl-Kalibrierung getestet und implementiert, um die Reproduzierbarkeit und die Abweichungen zwischen Experimenten auf einzelnen Graphen-beschichteten interdigitalen Elektroden-Chips (IDE) zu verbessern. Experimente zum Nachweis von SARS-CoV-2-Varianten unter Verwendung von ACE2-Sonden zur Erfassung von speziell hergestellten trimeren Spike-Ektodomänen-Proteinen (Wildtyp, Alpha, Beta, Gamma, Delta, Omicron BA1, Omicron BA2, Omicron BA5) zeigten vielversprechende Ergebnisse. Aufgrund der sich ständig ändernden viralen Mutationen ist jedoch eine weitere Verfeinerung erforderlich. Interdisziplinäre Forschung in den Bereichen Oberflächenchemie, Biophysik und Virologie ermöglichte die Entwicklung einer hochempfindlichen Methode zum schnellen Nachweis von respiratorischen Viruserkrankungen im klinischen Umfeld. Insgesamt untermauern diese Ergebnisse das Potenzial des gFET-Biosensors als Point-of-Care-Gerät für die Schnelldiagnose von SARS-CoV-2-Infektionen und für die indirekte Bewertung, ob Patienten ansteckend sind, was zusätzliche Informationen für klinische und gesundheitspolitische Entscheidungen liefern kann.