Luftqualitätsmonitor erkennt Coronavirus nahezu in Echtzeit – Physics World

Ein neuer Luftqualitätsmonitor kann jede Variante des SARS-CoV-2-Virus nahezu in Echtzeit erkennen. Das erste Gerät seiner Art, das aus einem Luftprobenehmer mit hohem Durchfluss und einem auf Nanokörpern basierenden Biosensor besteht, könnte seinen Angaben zufolge auch für die Erkennung anderer Atemwegserreger wie Influenza, Rhinovirus und Respiratory Syncytial Virus (RSV) geeignet sein Entwickler an der Washington University in St. Louis, USA.

Auch wenn wir uns nicht mehr in der Notstandsphase der COVID-19-Pandemie befinden, ist es dennoch wichtig, die Ansteckung von Menschen zu verhindern, insbesondere wenn sie klinisch anfällig für das Coronavirus oder seine Langzeitfolgen sind. Eine Möglichkeit dazu wäre die Untersuchung von Innenräumen auf das Coronavirus – idealerweise in Echtzeit, damit die Menschen die Risiken einschätzen und entsprechende Maßnahmen ergreifen können. „Im Moment gibt es nichts, was uns sagt, wie sicher ein Raum ist“, erklärt er John Cirrito, eine WashU Neurologe und Mitglied des Forschungsteams. „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 mit diesem Gerät ist, dass man praktisch in Echtzeit, also alle fünf Minuten, erkennen kann, ob ein Live-Virus vorliegt.“

Mikroimmunelektroden-Biosensor

Das neue Gerät ist eine Adaption eines Mikroimmunelektroden-Biosensors (MIE), den Cirrito und sein Psychiaterkollege entwickelt haben Carla Yuede zuvor entwickelt, um Amyloid Beta nachzuweisen, die Plaque-bildenden Aminosäuren, von denen man annimmt, dass sie an der Alzheimer-Krankheit beteiligt sind. Um diesen Biosensor für SARS-CoV-2 empfindlich zu machen, tauschten Cirrito und Yuede den Antikörper, der an Amyloid Beta bindet, gegen einen aus Lamas gewonnenen Nanokörper aus, der an das Spike-Protein des Coronavirus bindet.

Ihre nächste Aufgabe bestand darin, diesen modifizierten Sensor mit einem Luftkeimsammler zu kombinieren. Dafür wandten sie sich an Joseph Puthussery, ein Ingenieur in Rajan Chakrabartys Forschungslabor für komplexe Aerosolsysteme bei WashU. Da der Virengehalt in der Raumluft normalerweise sehr niedrig ist, entschied sich das Team für einen Probenehmer namens Nasszyklon, der in kurzer Zeit große Luftmengen aufnimmt. Aerosole dringen mit hoher Geschwindigkeit in diesen Probenehmer ein und treffen auf die benetzten Innenwände, wodurch eine nach unten gerichtete Wirbelströmung entsteht, die alle in der Luft befindlichen Viruspartikel einfängt.

Sobald die Probe gesammelt ist, sendet das Gerät die Virus-Flüssigkeits-Mischung mithilfe einer automatischen Flüssigkeitstransferpumpe an den MIE-Biosensor. Yuede erklärt, dass das SARS-CoV-2-Virus dann an Nanokörper auf dem Sensor bindet und eine Technik namens Rechteckwellenvoltammetrie verwendet wird, um Aminosäuren namens Tyrosine zu oxidieren, die sich auf der Oberfläche des Virus befinden.

Die Stärke des resultierenden Oxidationsstroms hängt von der Virusmenge in der Probe ab, und Chakrabarty sagt, das Gerät sei empfindlich genug, um nur 7-35 Kopien viraler RNA in einem Kubikmeter Luft zu erkennen. „Es ist, als würde man die Nadel im Heuhaufen finden“, stellt er fest. „Die hohe Virusrückgewinnung durch den Nasszyklon lässt sich auf seine extrem hohe Durchflussrate von rund 1000 Litern pro Minute zurückführen, die es ihm ermöglicht, im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Probenehmern innerhalb einer 5-minütigen Probenahme ein größeres Luftvolumen zu beproben.“

Vorteile in Echtzeit

Ein weiterer Vorteil gegenüber kommerziellen Probenehmern ist die Geschwindigkeit des Geräts. „Der auf Nanokörpern basierende elektrochemische Ansatz ermöglicht den schnelleren Nachweis des Virus, da kein Reagenz oder viele Verarbeitungsschritte erforderlich sind“, erklärt Yuede.

Puthussery fügt hinzu, dass die herkömmliche Aerosolprobenahme zwei Hauptschritte umfasst. Zunächst werden Proben aus der Luft entnommen, entweder mithilfe einer filterbasierten Probenahme oder eines Partikel-in-Flüssigkeits-Probenehmers. Dieser Sammelvorgang kann zwischen mehreren zehn Minuten und 24 Stunden oder mehr dauern. Sobald die Aerosolproben gesammelt wurden, müssen sie für den Transport zu einer Testeinrichtung sorgfältig in einem Aufbewahrungsbehälter für medizinische Zwecke aufbewahrt werden. Dort werden sie auf das Virus getestet, typischerweise mithilfe der Technik der Reverse-Transkription-Quantitative-Polymerase-Kettenreaktion (Rt-qPCR).

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Dieser Ansatz ist zeitaufwändig, teuer und weist eine schlechte zeitliche Auflösung auf. Im Gegensatz dazu könnte das Gerät des WashU-Teams so programmiert werden, dass es aufleuchtet, piepst oder einfach das Rohsignal des Biosensor-Oxidationsstroms anzeigt, wenn es erkennt, dass SARS-CoV-2 vorhanden ist, was es Benutzern ermöglicht, praktische Maßnahmen wie das Öffnen von Fenstern oder die Erhöhung des Luftstroms zu ergreifen auf andere Weise. „Die Wahl der Benachrichtigung wäre ortsspezifisch, um keine Panik bei den Gebäudebewohnern auszulösen“, sagt er. „Wir haben noch nicht endgültig festgelegt, was das Ideal wäre.“

Die Forscher planen nun, ihren Biosensor durch das Hinzufügen verschiedener zielspezifischer Nanokörper zu diversifizieren, damit er auch andere häufige Atemwegserreger erkennen kann. Anschließend werden sie mit der Kommerzialisierung ihres Systems beginnen. „In einem Krankenhaus könnte der Monitor zur Messung von Staphylokokken oder Streptokokken eingesetzt werden, die bei den Patienten zu allen möglichen Komplikationen führen“, sagt Cirrito. „Das könnte wirklich große Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen haben.“

Einzelheiten zum neuen Gerät finden Sie in Nature Communications veröffentlicht .

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/air-quality-monitor-detects-coronavirus-in-near-real-time/