COVID-19: Neue Gesichtsmaske erkennt SARS-CoV-2 und andere Erreger im Atem

Biosensoren in Masken können bei COVID-19-Diagnose helfen

Viele Menschen fühlen sich während der COVID-19-Pandemie unsicher, nachdem sie mit anderen Personen in Kontakt gekommen sind. Habe ich mich angesteckt oder habe ich andere infiziert? Auf solche Fragen gibt es in der Regel keine schnelle Antwort. Ein amerikanisches Forschungsteam fand nun eine Möglichkeit, Biosensoren in Gesichtsmasken und andere Textilien zu integrieren, um ein schnelles Feedback über das Vorhandensein von Krankheitserregern wie SARS-CoV-2 zu erhalten.

Forschende des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University und dem Massachusetts Institute of Technology haben einen Weg gefunden, tragbare Biosensoren in Textilien einzubetten, die einen schnellen und genauen Nachweis von Viren wie SARS-CoV-2 und anderen Krankheitserregern oder Toxinen ermöglichen. Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in dem renommierten Fachjournal „Nature Biotechnology“ vorgestellt.

Maske überprüft den Atem

Die Biosensoren können individuell angepasst werden, sodass sie die Trägerin oder den Träger alarmieren, sobald bestimmte Viren, Krankheitserreger oder Toxine erkannt werden. Mit der neuen Technik will die Arbeitsgruppe zunächst eine Gesichtsmaske herstellen, die überprüft, ob im Atem Coronaviren vom Typ SARS-CoV-2 vorhanden sind.

Genauigkeit mit PCR-Test vergleichbar

Auf Knopfdruck werden die Biosensoren aktiviert und analysieren den Atem des Trägers, beziehungsweise der Trägerin. Innerhalb von 90 Minuten können die integrierten Biosensoren feststellen, ob eine SARS-CoV-2-Infektion vorliegt. Die Genauigkeit ist laut der Arbeitsgruppe vergleichbar mit den Ergebnissen eines PCR-Tests.

Ein Diagnoselabor in der Gesichtsmaske

„Wir haben im Wesentlichen ein ganzes Diagnoselabor auf einen kleinen, auf synthetischer Biologie basierenden Sensor geschrumpft, der mit jeder Gesichtsmaske funktioniert und die hohe Genauigkeit von PCR-Tests mit der Schnelligkeit und den niedrigen Kosten von Antigentests kombiniert“, fasst Peter Nguyen aus dem Forschungsteam zusammen.

Nicht nur für Gesichtsmasken geeignet

„Zusätzlich zu den Gesichtsmasken können unsere programmierbaren Biosensoren in andere Kleidungsstücke integriert werden, um unterwegs gefährliche Substanzen wie Viren, Bakterien, Toxine und chemische Stoffe in der Umgebung nachzuweisen“, ergänzt Nguyen.

Biosensoren aus gefriergetrockneten Zellen

Besonders stolz sind die Forschenden auf den SARS-CoV-2-Biosensor, der aus der dreijährigen Forschung hervorgegangen ist. Er basiert auf einer Technologie, bei der Zellen die DNA ablesen und dabei bestimmte RNA und Proteine produzieren. Diese Zellen werden gefriergetrocknet und werden aktiviert, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Diese biologischen Elemente seien über lange Zeiträume hinweg lagerfähig und können mit synthetischen Schaltkreisen versehen werden, die die Reaktionen der Zellen bei Aktivierung in ein wahrnehmbares Signal umwandeln.

Erstmals bei Zika-Virus angewandt

Die zugrundeliegende Technologie wurde erstmals im Jahr 2015 bei einem Zika-Virus-Ausbruch angewandt. Dort wurden ähnliche Biosensoren auf einem Stück Papier integriert, um ein tragbares und günstiges Diagnose-Werkzeug zum Nachweis des Virus zu schaffen. Die nun vorgestellten Biosensoren sind die Weiterentwicklung dieser Technik.

„Wir wollten einen Beitrag zur weltweiten Bekämpfung des Virus leisten und kamen auf die Idee, die Biosensoren in Gesichtsmasken zu integrieren, um SARS-CoV-2 zu erkennen“, erläutert Luis Soenksen, der Co-Erstautor der Studie. Das gesamte Projekt entstand ab Mai 2020 unter Quarantäne und wurde unter strikter sozialer Distanzierung durchgeführt.

Wie erkennen die Biosensoren SARS-CoV-2?

Wie die Arbeitsgruppe berichtet, wird zunächst durch einen Knopfdruck eine kleine Menge Wasser freigesetzt, die die Biosensoren aktivieren. Wenn die Sensoren mit SARS-CoV-2 in Berührung kommen, findet eine Reaktion statt, bei der die Membran des Virus aufgeschnitten und die RNA freigelegt wird. Darauf folgt eine zweite Reaktion, bei der Kopien eines bestimmten Gens im Spike-Protein des Virus hergestellt werden. Diese Kopien können dann durch eine dritte Reaktion wahrgenommen werden, wodurch das Signal über das Vorhandensein von SARS-CoV-2 ausgelöst wird.

Die Nutzerinnen und Nutzer werden dann in Form eines einfachen Linienmusters, nach Prinzip eines Schwangerschaftstestes, darüber informiert, ob im Atem SARS-CoV-2 vorhanden ist oder nicht. Wie das Team betont, sind die SARS-CoV-2-Biosensoren die erste tragbare und leicht anzuwendende Testmöglichkeit, die bei Raumtemperatur funktioniert und ein schnelles Screening ohne Labor mit der Genauigkeit eines PCR-Tests ermöglicht.

Geburtsstunde der Gesichtsmasken-Diagnose?

„Diese Arbeit zeigt, dass unsere gefriergetrocknete, zellfreie synthetische Biologie-Technologie auf Kleidung funktioniert und für neuartige diagnostische Anwendungen nutzbar gemacht werden kann, einschließlich der Entwicklung einer Gesichtsmasken-Diagnose“, resümiert Professor Jim Collins, der Senior-Autor der Studie. Die Technologie sei auf andere Krankheitserreger wie beispielsweise auf Influenza übertragbar. (vb)