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Nachdem sich Menschen mit dem SARS-CoV-2-Virus infiziert haben, das COVID-19 verursacht, beginnen sie, Immunmoleküle, sogenannte Antikörper, zu produzieren. COVID-19-Antikörpertests weisen das Vorhandensein von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 im Blut nach. Da es mehrere Tage bis Wochen dauern kann, bis sich Antikörper entwickeln, können Antikörpertests keine aktiven Infektionen nachweisen, aber sie können helfen, herauszufinden, welcher Anteil der Bevölkerung in der Vergangenheit mit dem Virus infiziert war. Dieses Wissen ist nützlich für epidemiologische Untersuchungen und zur Information der Gesundheitsbehörden. Antikörpertests sind auch ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Wirksamkeit des COVID-19-Impfstoffs in klinischen Studien zu bewerten, wenn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Anstieg der Antikörper nach einer Impfung von Freiwilligen untersuchen.
Allerdings sind Antikörpertests auf recht teure Reagenzien angewiesen und erfordern in der Regel grössere Mengen an Blut, die durch eine venöse Blutentnahme gewonnen werden, die nur von geschultem medizinischem Personal durchgeführt werden kann. Hinzu kommt, dass einige der auf dem Markt erhältlichen Tests zu ungenau sind, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Jetzt haben Forschende der EPFL, der UNIGE und des HUG einen hochpräzisen Test entwickelt, der mit winzigen Mengen an Reagenzien und einem einzigen Blutstropfen Hunderte von Proben gleichzeitig analysieren kann.
«Das Coolste an unserem Ansatz ist, dass man mit minimalen Reagenzien viele Tests auf einmal durchführen kann und die Leute sogar ihre eigenen Blutproben zu Hause entnehmen könnten», sagt die Erstautorin der Studie, Zoe Swank, eine ehemalige Doktorandin im Labor für biologische Netzwerkcharakterisierung der EPFL unter der Leitung von Sebastian Maerkl.
Anfang 2020 taten sich Swank und Maerkl mit Benjamin Meyer, Virologe an der Medizinischen Fakultät der UNIGE und wissenschaftlicher Mitarbeiter der HUG-Abteilung für Labormedizin, sowie mit Isabella Eckerle, Professorin an der Medizinischen Fakultät der UNIGE und medizinische Koordinatorin des UNIGE-HUG-Zentrums für neu auftretende Viruserkrankungen, zusammen und machten sich daran, eine Diagnostikplattform, die zuvor in Maerkls Labor entwickelt worden war, so umzugestalten, dass sie für die Durchführung von SARS-CoV-2-Antikörpertests verwendet werden konnte.
Die Plattform, die bis zu 1024 Proben auf einmal analysieren kann, besteht aus einem komplexen Netzwerk winziger Röhrchen, die in einen Kunststoffchip von der Grösse eines USB-Sticks eingearbeitet sind. Um den Test durchzuführen, führen die Forschenden einzelne Blutproben und Testreagenzien durch die Kanäle dieses «mikrofluidischen» Chips. Wenn Antikörper gegen SARS-CoV-2 in einer Blutprobe vorhanden sind, erzeugt ein Molekül ein Signal, das als fluoreszierendes Leuchten unter dem Mikroskop nachgewiesen werden kann.
Als das Team Blutproben von 155 mit SARS-CoV-2 infizierten Personen untersuchte, wies der Test in 98 % der Fälle Antikörper gegen das Virus nach. Der Test ist zudem extrem spezifisch: Er wies niemals Antikörper gegen das Virus in Proben von Personen nach, die nicht mit SARS-CoV-2 infiziert waren.
Da das mikrofluidische Gerät sehr klein ist, beträgt die Menge an Blut und Reagenzien nur einen Bruchteil der Menge, die für Standard-COVID-19-Antikörper-Tests benötigt wird. Die Durchführung von Hunderten von Tests auf einer einzigen Plattform bedeutet, dass eine Person mehr Tests in kürzerer Zeit durchführen kann, mit potenziellen Kosteneinsparungen bei der menschlichen Arbeitskraft, sagt Maerkl. «Wenn man eine Rückwärtsrechnung macht und alles in Betracht zieht, einschliesslich der Lohnkosten und der Kosten für Reagenzien, sind es etwa 0,5 Schweizer Franken pro Test», sagt er. «Das ist fast vernachlässigbar.»
Um kein Blut mehr direkt aus den Venen der Menschen zu entnehmen zu müssen, untersuchten Swank und ihre Kollegen, ob sie Blutproben verwenden können, die durch einen Fingerstich gewonnen werden – ein einfaches Verfahren, bei dem ein Finger mit einer winzigen Nadel durchstochen wird, um eine kleine Menge Blut zu gewinnen. Die Forschenden testeten drei handelsübliche Geräte zur Durchführung von Bluttests per Fingerstich, darunter Glukose-Teststreifen, die von Menschen mit Diabetes zur Messung ihres Blutzuckerspiegels verwendet werden.
Der auf Mikrofluidik basierende Antikörpertest konnte mit Blutproben, die mit allen drei Methoden entnommen wurden, erfolgreich durchgeführt werden, selbst wenn das Blut getrocknet und für etwa eine Woche bei Raumtemperatur gelagert wurde oder wenn die Proben mit der Post von Genf nach Lausanne geschickt wurden. Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.
«Der Ansatz der dezentralen Blutentnahme durch einen einfachen Fingerstich, der sogar zu Hause durchgeführt werden kann, und ein ausgeklügeltes laborgestütztes Assay mit hoher diagnostischer Genauigkeit macht diesen Test sehr attraktiv für gross angelegte epidemiologische Studien», so Isabella Eckerle. «Er könnte sogar in abgelegenen geografischen Regionen eingesetzt werden, in denen es keine ausreichenden Laborkapazitäten gibt, zum Beispiel für Seroprävalenzstudien in Afrika südlich der Sahara», ergänzt sie und fügt hinzu: «Die geringe Blutmenge und die Entnahme durch einen Fingerstich, die schnell und fast schmerzlos ist, macht diese Methode auch für den Einsatz bei Kindern sehr attraktiv und bietet eine einzigartige Möglichkeit, Seroprävalenzraten in Kindertagesstätten oder Kindergärten zu ermitteln.»
Maerkl und seine Mitarbeitenden setzen den Test nun ein, um die Prävalenz von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 bei Kindergartenkindern in Genf zu bestimmen, in Zusammenarbeit mit Silvia Stringhini und Idris Guessous von der Population Epidemiology Unit am HUG. In Zukunft, so Maerkl, könnte diese Technologie es möglich machen, dass Menschen ein Blutentnahme-Set in der Apotheke oder im Supermarkt kaufen, ihr eigenes Blut mit einem einfachen Fingerstich abnehmen und es an ein zentrales Labor schicken, das die Blutprobe analysiert und die Testergebnisse per E-Mail oder eine Smartphone-App zurückschickt.
Es gibt keine offensichtliche Grenze, wie viele molekulare Tests mit der mikrofluidischen Diagnostikplattform durchgeführt werden können, fügt Maerkl hinzu: «Wir sind daran interessiert, diese Plattform auf andere Arten von Tests zu erweitern, die andere Biomarker nachweisen, die die Leute vielleicht messen möchten – zum Beispiel den Ferritinspiegel im Blut bei Menschen mit Anämie», sagt er.