Virusmaterial wird durch elektrische Leitfähigkeit sichtbar

Die Coro­na-Pan­demie hat gelehrt, wie wichtig diag­nos­tis­che Hil­f­s­mit­tel sind, die schnell und zuver­läs­sig beispiel­sweise Erreger oder Antikör­p­er nach­weisen kön­nen. Der diag­nos­tis­che Werkzeugkas­ten muss dabei stetig durch neue inno­v­a­tive Meth­o­d­en erweit­ert wer­den, um sowohl SARS-CoV­‑2 als auch zukün­fti­gen Her­aus­forderun­gen dieser Art begeg­nen zu kön­nen. Chemik­er der Friedrich-Schiller-Uni­ver­sität Jena, das IMMS Insti­tut für Mikroelek­tron­ik- und Mecha­tron­ik-Sys­teme gemein­nützige GmbH (IMMS GmbH) und die fzmb GmbH, Forschungszen­trum für Medi­z­in­tech­nik und Biotech­nolo­gie entwick­eln deshalb gemein­sam eine neue Tech­nolo­gieplat­tform für Schnell­tests. Am Fre­itag (5.3.) startete das vom Bun­deswirtschaftsmin­is­teri­um geförderte Pro­jekt „Viro­Graph – Mul­ti­plex-Detek­tion­ssys­tem zum Nach­weis von Viren auf Basis von Graphen-Feld­ef­fek­t­tran­si­s­toren“, das für zweiein­halb Jahre ange­set­zt ist, mit einem virtuellen Auf­tak­t­tr­e­f­fen, an dem auch die Mit­glieder des beglei­t­en­den Auss­chuss­es aus sechs Unternehmen und Insti­tu­tio­nen teilnahmen.
Ziel der neuen elek­tro­n­is­chen Plat­tform ist es, die bere­its an der Uni­ver­sität Jena erforscht­en Graphen-Sen­soren für neue soge­nan­nte Point-of-Care-Geräte zu erschließen. Solche kleinen und mobilen Geräte sollen kün­ftig ähn­lich ein­fach wie Covid-19-Schnell­tests vor Ort ein­set­zbar sein und Viren, Viren­pro­teine oder Antikör­p­er hochsen­si­tiv – ver­gle­ich­bar mit PCR-Tests – nach­weisen. Mit dem neuen Pro­jekt wollen die Part­ner den Grund­stein für viele weit­ere präzis­ere, sen­si­ti­vere und spez­i­fis­chere Anwen­dun­gen im Bere­ich der Vor-Ort-Diag­nos­tik über SARS-CoV­‑2 hin­aus legen.

Sensor aus Graphen

Prinzip­iell sind auf den Test­streifen der aktuell einge­set­zten Schnell­tests bes­timmte Pro­teine als Fänger­moleküle aufge­bracht, die – falls in der unter­sucht­en Probe vorhan­den – mit Virus­be­standteilen oder mit Antikör­pern reagieren. Dabei entste­ht ein Farb­streifen, der das Ergeb­nis anzeigt. In der neuen Plat­tform des Viro­Graph-Pro­jek­tes soll ein neuar­tiger elek­tro­n­is­ch­er Sen­sor aus Graphen die Auf­gabe des Test­streifens übernehmen – über­zo­gen von ein­er nur einen Nanome­ter dick­en Kohlen­stoffmem­bran, die die Fänger­moleküle auf der Sen­sorober­fläche fix­iert. Lagern sich die Ana­lyten aus ein­er Probe – also etwa Antikör­p­er oder Virus­be­standteile – auf der Sen­sorober­fläche an, dann verän­dert sich die elek­trische Leit­fähigkeit des Sen­sors. Dieser Para­me­ter kann elek­tro­n­isch aus­ge­le­sen wer­den und liefert das Testergebnis.

„Feld­ef­fek­t­tran­si­s­toren kom­men bere­its beispiel­sweise bei der Mes­sung von pH-Werten zum Ein­satz, für Anwen­dun­gen im Bere­ich der immu­nol­o­gis­chen Diag­nos­tik allerd­ings waren sie bish­er nicht sen­si­tiv und spez­i­fisch genug. Durch die Kom­bi­na­tion von Het­erostruk­turen aus Graphen, das eine entsprechende Leit­fähigkeit bere­i­thält, und der moleku­laren Kohlen­stoff­nanomem­bran, die die Sen­sorober­fläche bio­chemisch funk­tion­al­isiert, kon­nte diese Schwach­stelle allerd­ings behoben wer­den. Denn das aus nur ein­er Atom­schicht beste­hende 2D-Mate­r­i­al Graphen zeich­net sich durch eine beson­dere elek­trische Leit­fähigkeit aus – sen­si­ble Änderun­gen der Leit­fähigkeit während der Ankop­plung von Ana­lyten, also den gesucht­en Molekülen, lassen sich schnell und ein­fach messen.“
— Prof. Andrey Tur­chanin von der Uni­ver­sität Jena

Kleine Geräte und viele Parameter per Schnelltest

Um diese kle­in­sten elek­trischen Ströme im Bere­ich einiger Nanoam­pere über­haupt messen zu kön­nen, entwick­eln die Pro­jek­tko­or­di­na­toren des IMMS geeignete minia­tur­isierte Messtech­nik. „Das ist wichtig, um die für unsere Anwen­dung notwendi­ge Leis­tungs­fähigkeit sehr großer Mess­geräte, die solche Para­me­ter nor­maler­weise ermit­teln kön­nen, in ein han­dlich­es Point-of-Care-Gerät zu inte­gri­eren.“ sagt Michael Meis­ter vom IMMS. „Eine beson­dere Her­aus­forderung dabei ist außer­dem, mehrere Graphen-Sen­soren gle­ichzeit­ig zu messen, um eine Mul­ti­pa­ra­me­ter­an­a­lytik real­isieren zu können.“
Denn hierin soll die beson­dere Stärke der elek­tro­n­is­chen Meth­ode beste­hen: „Wir wollen den Grund­stein für ein Mul­ti­plex-Detek­tion­ssys­tem leg­en, mit dem wir mehrere Ana­lyten gle­ichzeit­ig detek­tieren kön­nen“, erk­lärt Dominik Gary von der fzmb GmbH, deren Mitar­bei­t­erin­nen und Mitar­beit­er immu­nol­o­gis­che und moleku­lar­biol­o­gis­che Nach­weis­sys­teme für den neuen Sen­sor entwick­eln. „Somit wäre das Viro­Graph-Sys­tem möglicher­weise sog­ar zur Gen­typ­isierung geeignet und kön­nte ver­schiedene Muta­tio­nen von Viren im Schnel­lver­fahren erkennen.“

Einschätzung aus der Industrie

„Für uns als Experten für Immunoas­says und ELISA sind Ergeb­nis­sicher­heit, ein­fache und schnelle Testver­fahren zen­tral“, erk­lärte Dr. Peter Rauch, Mit­glied im Viro­Graph-Pro­jek­tauss­chuss und Geschäfts­führer der CANDOR Bio­science GmbH. Die Pan­demie des SARS-CoV-2-Virus zeige deut­lich den Bedarf an Point-of-Care-Sys­te­men mit hoher ana­lytis­ch­er Leis­tungs­fähigkeit, die vor Ort am Patien­ten zu vertret­baren Preisen einge­set­zt wer­den kön­nen. „Die im Pro­jekt ver­fol­gten Ansätze kön­nen den Her­aus­forderun­gen auf elek­tro­n­is­chem Weg begeg­nen. Wir wer­den daher die Arbeit­en mit großem Inter­esse ver­fol­gen und mit Rat und Tat unterstützen.“