Microarray prüft Impfstatus für Corona, Masern, Diphterie und Tetanus gleichzeitig

Um sich gegen Infek­tion­serkrankun­gen und Fremd­stoffe zur Wehr zu set­zen, bildet das Immun­sys­tem des Men­schen spezielle Pro­teine gegen den Krankheit­ser­reger aus — soge­nan­nte Antikör­p­er. Doch diese Antikör­p­er richt­en sich nicht gegen den gesamten Erreger, son­dern binden per Schlüs­sel-Schloss-Prinzip stets an ganz bes­timmte moleku­lare Struk­turen des Ein­drin­glings, die man auch “Anti­gene” nen­nt. Infec­toG­nos­tics-Wis­senschaftler haben nun im Resis­to­vac-Pro­jekt eine Test­plat­tform entwick­elt, bei der man Dutzende solch­er Anti­gene auf­tra­gen kann. Mit einem einzi­gen Tropfen Blut des Patien­ten kann so par­al­lel auf mehrere Antikör­p­er gegen übliche und neue Infek­tion­skrankheit­en getestet werden. 

Zen­traler Fokus war bei der Entwick­lung zunächst ein genaueres Screen­ing der Immunreak­tion auf das Coro­n­avirus. Zum Ein­satz kam dabei ein soge­nan­nter Pro­tein-Microar­ray: Das ist ein weniger Mil­lime­ter klein­er Chip, auf dem ver­schiedene Anti­gene als Fänger­moleküle aufge­tra­gen und gebun­den sind. Bringt man Antikör­p­er aus dem Patien­ten­blut mit den passenden Anti­ge­nen auf dem Chip zusam­men, ver­fär­ben sich durch eine speziell entwick­elte Meth­ode entsprechende Test­felder auf dem Mikroar­ray — ein gesuchter Antikör­p­er muss also im Blut vorhan­den gewe­sen sein.

Um die Zuver­läs­sigkeit dieses Nach­weis­es zu vali­dieren, haben die Infec­toG­nos­tics­Forsch­er unter­schiedliche SARS-CoV-2-Anti­gene auf den Microar­ray aufge­tra­gen und gegen reale Proben von Covid-19-Patien­ten aus Thürin­gen getestet: “Wir woll­ten dabei die rel­a­tiv spät gebilde­ten IgG-Antikör­p­er nach­weisen — eine Art Langzeitgedächt­nis des Immun­sys­tems gegen Bestandteile eines Erregers. Für deren Nach­weis haben wir 18 Anti­gen-Kom­bi­na­tio­nen für das Coro­na-Virus als Fänger­moleküle aufge­bracht”, erläutert Sindy Bur­gold-Voigt, Erstau­torin der Studie und Dok­torandin am Leibniz-IPHT. 

Koop­er­a­tion von mehreren Part­nern aus dem Infec­toG­nos­tics Forschungscampus

Konzip­iert wurde der Microar­ray von den Leib­niz-IPHT-Wis­senschaftlern der Arbeits­gruppe “Optisch-moleku­lare Diag­nos­tik und Sys­temtech­nolo­gie” unter der Leitung von Prof. Ralf Ehricht, gemein­sam mit den Entwick­lern der fzmb aus Bad Lan­gen­salza. Hergestellt wurde der Microar­ray schließlich auf Basis des “InterArray”-Systems der fzmb . Ein weit­er Fir­men­part­ner von Infec­toG­nos­tics, die Virion\Serion, stellte zudem Anti­gene für Coro­na und andere Erreger zur Verfügung.

Für die Anti­gen-Ref­eren­zierung und Vali­dierung des Tests stellte das Uni­ver­sität­sklinikum Jena Biobank-Proben und Dat­en aus ihrer 2020 in Neustadt am Rennsteig durchge­führten Coro­na-Studie “CoNAN” bere­it. Das Dorf in Nordthürin­gen wurde zu Beginn der Pan­demie kom­plett unter Quar­an­täne gestellt und von UKJ-Forsch­ern sys­tem­a­tisch in ein­er epi­demi­ol­o­gis­chen Studie erfasst. 

Immun­sys­teme reagieren äußerst indi­vidu­ell auf Coronaviren

In ihrer Auswer­tung stell­ten die Wis­senschaftler fest, dass die Immu­nant­wort indi­vidu­ell sehr ver­schieden aus­fällt: So hat­ten einige Patien­ten beispiel­sweise nur Antikör­p­er gegen ein Pro­tein entwick­elt, welch­es das Erbgut des Virus ein­hüllt — das Nucle­o­cap­sid. Andere Patien­ten hat­ten hinge­gen Antikör­p­er gegen das soge­nan­nte Spike-Pro­tein — die spitzen Struk­turen, mit denen sich das Virus an men­schliche Zellen anheftet. Wieder andere hat­ten gegen bei­de Coro­na-Anti­gene die passenden Antikörper.

Die kluge Kom­bi­na­tion von ver­schiede­nen Anti­ge­nen auf einem einzi­gen Test kann damit von hoher Bedeu­tung für das Ver­ständ­nis der Antikör­p­er-Immunab­wehr und die Arbeit an neuen Impf­stof­fen sein, so Sindy Bur­gold-Voigt: “Für die Weit­er­en­twick­lung und Effizien­z­analy­sen von Imp­fun­gen ist es extrem wichtig, dass die Forschung ein diag­nos­tis­ches Werkzeug hat, mit dem man sich einen schnellen Überblick über die Immunreak­tion ver­schaf­fen kann.”

Microar­ray für alle Stiko-Imp­fun­gen kön­nte Hin­weise auf Impflück­en geben Zusät­zlich zu ver­schiede­nen Ober­flächen­struk­turen des Coro­n­avirus wur­den auch drei Anti­gene von den Erregern für Diptherie, Masern und Tetanus auf den Test gebracht, auf die geimpfte Per­so­n­en typ­is­cher­weise reagieren. Auch hier kon­nte eine entsprechende Antikör­per­reak­tion bei geimpften Per­so­n­en erfol­gre­ich nachgewiesen wer­den. “Wir kon­nten so zeigen, dass wir den Test flex­i­bel erweit­ern und ver­schiedene Antikör­p­er während ein­er einzi­gen Tes­tung im Patien­ten­blut nach­weisen kön­nen. In Zukun­ft kön­nte man also einen Mikroar­ray für alle von der Stiko emp­fohle­nen Imp­fun­gen zusam­men­stellen, mit dem man schnell und gün­stig auf mögliche Impflück­en scree­nen kön­nte”, erk­lärt Sindy Burgold-Voigt.

Unter­stützt wurde die Test-Entwick­lung durch das Bun­desmin­is­teri­um für Bil­dung und Forschung im Rah­men des Infec­toG­nos­tics-Leit­pro­jek­ts Resis­to­vac, das die Entwick­lung von Poc-Tests zur Bes­tim­mung des Immun­sta­tus und bak­terieller Resisten­z­fak­toren zum Ziel hat. Darüber hin­aus wurde die Studie durch den Freis­taat Thürin­gen gefördert und durch Mit­tel der Europäis­chen Union im Rah­men des Europäis­chen Sozial­fonds kofi­nanziert. Die Ergeb­nisse wur­den im Fachjour­nal “Sci­en­tif­ic Reports” pub­liziert und sind kosten­los zugänglich (DOI: 10.1038/s41598-022–10823‑7).