Effiziente PCR-Tests
„Mehr als 4.000 Proben in 24 Stunden“
Das Gerät der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH basiert auf einem Patent des KIT zur Manipulation magnetischer Partikel. (Bild: IFG, KIT)
Karlsruher Forscher konnten die PCR-Tests zum Nachweis einer Coronavirus-Infektion effizienter machen. Ihre Erfindung hat sich in der Praxis durchgesetzt: Die auf ihrem Prinzip basierenden Geräte haben allein in Deutschland einen Marktanteil von rund 25 Prozent.
Der PCR-Test stellt die derzeit verlässlichste Methode dar, um eine Infektion mit SARS-CoV-2 nachzuweisen. Dabei werden Bruchstücke der Erbsubstanz des Virus aufgespürt und vervielfacht. Zuvor müssen die im Abstrich enthaltenen Erbgut-Stränge jedoch gereinigt und konzentriert werden. Eine Erfindung von Wissenschaftlern des Instituts für Funktionelle Grenzflächen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) macht dieses Verfahren effizienter. Matthias Franzreb und Christof Wöll erklären, wie sie funktioniert.
Der herkömmliche PCR-Test Schritt für Schritt erklärt: Was passiert mit dem Stäbchen, nachdem der Mund-Nasen-Abstrich genommen wurde?
Matthias Franzreb: Der erste Schritt ist die Aufreinigung der RNA: Das Stäbchen wird in eine Lösung getaucht, in der das biologische Material, also Schleimhautzellen und evtl. auch Virus-Partikel, aufgebrochen werden. Dadurch wird die RNA – also die Erbsubstanz der Viren, sofern sie vorhanden sind – frei und schwimmt in der Lösung. Nun gibt man Magnetpartikel hinein, an deren Oberfläche selektiv DNA bzw. RNA bindet, während z.B. Zellproteine in der Lösung verbleiben. Jetzt muss ich die Partikel mit der gebundenen RNA von den Verunreinigungen trennen. Der übliche Schritt ist, von außen einen Magneten daranzuhalten. Der sammelt die Partikel an der Außenwand des Behälters. Schließlich kann ich die Verunreinigungen abziehen und eine neue Lösung hineingeben. Die Magnetpartikel-RNA-Verbindung wird wieder getrennt und ich habe die Erbsubstanz in einer gereinigten Form. Erst jetzt kann der eigentliche PCR-Test starten. In der Ursprungslösung würde das wegen der vielen Verunreinigungen nicht funktionieren.
Matthias Franzreb leitet die Abteilung Bioprozesstechnik und Biosysteme am Institut für Funktionelle Grenzflächen am KIT. (Bild: privat)
Warum muss der RNA-Strang des Virus überhaupt vervielfältigt werden? Wenn ich den Strang habe, weiß ich doch schon: Da ist ein Virus.
Matthias Franzreb: Aus dem Abstrich lassen sich nur etwa ein Millionstel Gramm an Erbsubstanz gewinnen. Zudem besteht diese auch bei positiven Proben nur zum geringen Teil aus Virus-RNA. Das Entscheidende an der PCR-Methode ist, dass man diese kleinsten Mengen selektiv vervielfältigt und dadurch nachweisbar macht. Egal ob ich das Virus über einen leuchtenden Farbstoff nachweisen will oder als gefärbte Bande eines Gels: Dafür benötige ich einfach eine gewisse Menge von dessen Erbsubstanz. Hier kommt noch die Schwierigkeit hinzu: SARS-CoV-2 ist ein RNA-Virus und die Vervielfältigung geht nur mit DNA, d.h. man muss die RNA des Virus zunächst mit Hilfe von Enzymen in DNA umschreiben.
Soweit die herkömmliche Methode. Mit Ihrer Erfindung haben Sie es geschafft, die Probenvorbereitung des PCR-Tests effizienter zu machen. Wie genau?
Matthias Franzreb: Die Methode, einen Magneten von außen ans Gefäß zu halten, funktioniert zwar manuell recht gut, ist aber schlecht zu automatisieren.
Christof Wöll: Das können Sie machen, wenn Sie vielleicht nur zehn Proben haben. Jetzt haben wir viele zehntausend pro Tag. Damit wäre dieses Verfahren gar nicht einsetzbar, um alle Fälle bewältigen zu können.
Matthias Franzreb: Wir wollten den ganzen Prozess parallelisieren, beschleunigen und das mehrfach notwendige Vermischen der Magnetpartikel mit neuen Lösungen integrieren. Bei den klassischen Verfahren pipettiert man die Lösung, saugt also die alte Lösung raus und gibt eine neue Lösung rein. Aber die Partikel bleiben immer im Gefäß. Wir hatten die Idee, dass wir nicht Lösungen transportieren, sondern die Partikel.
Und wie funktioniert das?
Matthias Franzreb: Mit einer weichmagnetischen Nadel, einem Metallstäbchen, das sich von außen zu einem Magneten machen lässt. Es sammelt die ganzen Partikel ein, dann kann ich den Stab langsam nach oben ziehen und die Lösung wechseln. Für das anschließende Durchmischen hatte mein Kollege Jonas Wohlgemuth die entscheidende Idee: Die Nadeln rotieren sehr schnell um ihre eigene Achse. Und wenn ich berührungslos von außen magnetisiere, kann ich das auch mit einer ganzen Anordnung von Proben machen, mit 96 Stück in 30 Minuten. So automatisiert ist das deutlich reproduzierbarer und schneller als wenn das jemand von Hand machen muss. Wenn die Erbsubstanz des Virus vorhanden ist, wird sie isoliert und liegt dann bereit für die PCR. Ein Gerät kann so in 24 Stunden mehr als 4.000 Proben aufbereiten.
Das Verfahren hat sich bereits bei HIV- und Hepatitis-Tests bei Blutspenden bewährt?
Matthias Franzreb: Genau. Das ist dieselbe molekulare Diagnostik. Auch bei BSE-Tests – das ist der Grund, warum der Marktanteil in England besonders hoch ist. Dort ist es mithilfe der Tests gelungen, den Schafbestand so zu selektieren, dass sich nur diejenigen Tiere fortpflanzen dürfen, die nicht genetisch anfällig für die bei Schafen „scrapie” genannte Krankheit sind. Die auf unserer Erfindung beruhenden Geräte des Lizenznehmers PerkinElmer chemagen sind bereits seit einiger Zeit am Markt und waren schon zu Beginn der Pandemie in größeren klinischen Analytiklabors etabliert.
Christof Wöll leitet das Institut für Funktionelle Grenzflächen am KIT (Bild: privat).
Sie haben Ihre Erfindung in Karlsruhe entwickelt. Wie kam der Kontakt zur Industrie, zur Firma PerkinElmer chemagen zustande?
Matthias Franzreb: Ein Kollege hat uns dort als Experten für Anwendungen der Magnettechnologie für biologische Fragestellungen empfohlen. Die Entwicklung über einen ersten und zweiten Prototypen bis zum Lizenzvertrag für den Bau der Geräte verlief extrem schnell.
Christof Wöll: Die Mission der Helmholtz-Gemeinschaft umfasst auf der einen Seite Grundlagenforschung, auf der anderen Seite die Anwendung, die Translation in die kommerzielle Nutzung. Wir haben auch schon Ausgründungen vorgenommen. Aber hier war der beste Weg, zunächst ein Patent anzumelden und dann der Firma eine Lizenz zu erteilen. Den Erfolg sehen wir an den Lizenzeinnahmen. Durch den Druck in der Corona-Pandemie, ganz schnell möglichst viele Tests durchzuführen, konnte dieses Verfahren schnell 25 Prozent Marktanteil in Deutschland erreichen – in anderen Ländern liegt der Marktanteil teilweise noch höher.
Wie geht es nun weiter? Wollen Sie Ihre Erfindung noch verbessern?
Matthias Franzreb: Momentan entwickeln wir Verfahren, elektrische Felder zu nutzen, um den Bindevorgang der Erbsubstanz effizienter zu machen. Außerdem versuchen wir, bei den Lösungen Chemie einzusparen. Wenn ich einen Teil der Chemie durch das An- und Ausschalten eines elektrischen Feldes ersetzen könnte, wäre das natürlich vorteilhaft.
Christof Wöll: Früher haben wir diese Verfahren vor allem mit der extrem zeitaufwendigen Methode „Versuch und Irrtum“ optimiert. Der neue Ansatz ist ein wesentliches Element des Helmholtz-Forschungsprogramms „Materials Systems Engineering“. Dabei geht es um die Digitalisierung der Materialforschung. Wir wollen also zunächst im Computer optimieren. Weil sich elektrische Felder gut simulieren lassen, ist dieses Verfahren dafür besonders geeignet.
Vollendung der Fusion am KIT
Bundesministerin für Bildung und Forschung Anja Karliczek und Baden-Württembergs Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Theresia Bauer haben sich auf weitere Schritte zur Vollendung der Fusion am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geeinigt. Eine renommierte Universität und ein Großforschungszentrum vertiefen so ihre bereits im Jahr 2009 erfolgte Fusion. Um das volle Potenzial in Forschung, Lehre und Innovation auszuschöpfen, werden administrative Hürden abgebaut und mehr Flexibilität in der Mittelverwendung ermöglicht.
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