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Ein Merkmal des COVID-19-Virus, das seine Eindämmung so schwierig macht, ist, dass es von einer Person, die noch keine Anzeichen einer Infektion zeigt, leicht auf andere übertragen werden kann. Der Träger des Virus fühlt sich möglicherweise vollkommen wohl und geht seinem täglichen Geschäft nach - er nimmt das Virus mit zur Arbeit, in die Wohnung eines Familienmitglieds oder zu öffentlichen Versammlungen.
Ein entscheidender Teil der weltweiten Bemühungen, die Ausbreitung der Pandemie einzudämmen, ist daher die Entwicklung von Tests, mit denen Infektionen bei Menschen, die noch keine Symptome aufweisen, rasch erkannt werden können.
Jetzt haben die Forscher von Caltech einen neuen Typ von Multiplex-Test (ein Test, der mehrere Arten von Daten kombiniert) mit einem kostengünstigen Sensor entwickelt, der die Diagnose einer COVID-Infektion zu Hause durch schnelle Analyse kleiner Speichel- oder Blutmengen in weniger als zehn Minuten ohne Beteiligung eines Arztes ermöglichen könnte.
Die Forschung wurde im Labor von Wei Gao, Assistenzprofessor in der medizintechnischen Abteilung von Andrew und Peggy Cherng, durchgeführt. Zuvor haben Gao und sein Team drahtlose Sensoren entwickelt, die Zustände wie Gicht sowie Stresspegel überwachen können, indem sie extrem niedrige Konzentrationen spezifischer Verbindungen im Blut, Speichel oder Schweiß nachweisen.
Gaos Sensoren bestehen aus Graphen, einer schichtartigen Form von Kohlenstoff. Eine mit einem Laser geätzte Kunststoffplatte erzeugt eine 3D-Graphenstruktur mit winzigen Poren. Diese Poren erzeugen eine große Oberfläche auf dem Sensor, was ihn empfindlich genug macht, um mit hoher Genauigkeit Verbindungen zu erkennen, die nur in sehr geringen Mengen vorhanden sind. In diesem Sensor sind die Graphenstrukturen mit Antikörpern gekoppelt, d.h. Molekülen des Immunsystems, die empfindlich auf bestimmte Proteine reagieren, wie z.B. die auf der Oberfläche eines COVID-Virus.
Frühere Versionen des Sensors waren mit Antikörpern gegen das Hormon Cortisol, das mit Stress in Verbindung gebracht wird, und Harnsäure, die bei hohen Konzentrationen Gicht verursacht, imprägniert. Die neue Version des Sensors, die Gao SARS-CoV-2 RapidPlex genannt hat, enthält Antikörper und Proteine, die es ihm ermöglichen, das Vorhandensein des Virus selbst nachzuweisen, Antikörper, die vom Körper zur Bekämpfung des Virus gebildet werden, und chemische Entzündungsmarker, die den Schweregrad der COVID-19-Infektion anzeigen.
«Dies ist die einzige telemedizinische Plattform, die ich bisher gesehen habe, die mit einem einzigen Sensor Informationen über die Infektion in drei Datentypen liefern kann», sagt Gao. «In nur wenigen Minuten können wir diese Werte gleichzeitig überprüfen, so dass wir ein vollständiges Bild über die Infektion erhalten, einschließlich der frühen Infektion, der Immunität und des Schweregrades.»
Etablierte COVID-Testtechnologien benötigen gewöhnlich Stunden oder sogar Tage, um Ergebnisse zu liefern. Diese Technologien erfordern auch teure, komplizierte Geräte, während das System von Gao einfach und kompakt ist.
Bislang wurde das Gerät nur im Labor mit einer kleinen Anzahl von Blut- und Speichelproben getestet, die zu medizinischen Forschungszwecken von Personen entnommen wurden, die positiv oder negativ auf COVID-19 getestet haben. Obwohl vorläufige Ergebnisse darauf hindeuten, dass der Sensor sehr genau ist, muss ein Test in größerem Maßstab mit Patienten aus der realen Welt statt mit Laborproben durchgeführt werden, warnt Gao, um seine Genauigkeit definitiv zu bestimmen.
Da die Pilotstudie nun abgeschlossen ist, plant Gao als nächstes, die Lebensdauer der Sensoren bei regelmäßiger Anwendung zu testen und damit zu beginnen, sie bei hospitalisierten COVID-19-Patienten zu testen. Im Anschluss an die Tests im Krankenhaus möchte er die Eignung der Tests für die Verwendung zu Hause untersuchen. Nach den Tests muss das Gerät die behördliche Zulassung erhalten, bevor es für die breite Anwendung zu Hause verfügbar ist.
Quelle: Rebeca M. Torrente-Rodríguez et al.; «SARS-CoV-2 RapidPlex: A Graphene-based Multiplexed Telemedicine Platform for Rapid and Low-Cost COVID-19 Diagnosis and Monitoring»; Matter; 2020