Schnelltest identifiziert Krankheitserreger

22.08.2016

Bakterien, Pilze oder Viren lassen sich heute in der Regel nur mit aufwendigen Labortests oder Tierversuchen sicher nachweisen. Fraunhofer-Forscher entwickeln deshalb einen Stick, der wie ein Schwangerschaftstest funktioniert und schnell ein Ergebnis liefert. Künftig sollen damit auch Allergene und Krankheitserreger im Blut nachgewiesen werden.

Bild: Produktion des ImmuSticks: Aufbringung der Immunrezeptoren auf die Oberfläche des Teststreifens; Copyright: Foto Fraunhofer IGB

Der ImmuStick ist ein Teststreifen, auf den ein wenig Flüssigkeit geträufelt wird. Enthält die Flüssigkeit Pyrogene, Bruchstücke von Erregern, wird das durch einen Farbstreifen in einem Sichtfenster angezeigt; © Foto Fraunhofer IGB

Ein hübsches, buntes Gebilde auf dem Schreibtisch der Wissenschaftler, in trauter Eintracht mit einer Stoff-Fruchtfliege, ist das anschauliche Symbol bahnbrechender Erkenntnisse für die Genetiker.

"Es ist das Modell eines Proteinbausteins: dem sogenannten Repressorkomplex, der bei der Zellkommunikation eine zentrale Rolle spielt", erklärt Dr. Dieter Maier vom Fachgebiet Allgemeine Genetik an der Universität Hohenheim. "Zusammen mit den Kollegen an der Universität Cincinnati konnten wir seine Struktur nun entschlüsseln und die Funktionen in vivo, also bei lebenden Fruchtfliegen, belegen."

Die Rede ist vom sogenannten Notch Signalweg. Er ist in allen höheren Tieren vorhanden und wird bei der Zellkommunikation benötigt, um die Differenzierung von Zellen zu steuern. "Wenn dieser Signalweg gestört ist führt das zu Erbkrankheiten, die vor allem Herz und Skelett betreffen, zu Krebserkrankungen und Leukämien", skizziert Prof. Anette Preiss, die das Fachgebiet Allgemeine Genetik an der Universität Hohenheim leitet.

"Der Notch Signalweg funktioniert vereinfacht wie ein Ein- und Ausschalter", erklärt Dr. Maier den Prozess, der mit vielen ungewöhnlichen Namen einhergeht. "Den Einschalter kennt man schon recht gut: Wenn ein Protein-Bereich namens "Suppressor of Hairless" an die DNA anschließt, wird Notch aktiviert. Aber "Suppressor of Hairless" wird zum Ausschalter, sobald das Protein "Hairless" daran andockt. Über die Strukturen, die diesem Komplex zugrunde liegen, wusste man bisher kaum etwas."

Jetzt gelang es den amerikanischen Kooperationspartnern um Prof. Rhett A. Kovall, mittels Röntgenstrukturanalyse die Struktur dieses Proteinkomplexes zu identifizieren. "Das gibt uns neue Werkzeuge, um den Signalweg zu regulieren", legt Prof. Preiss dar. "Wenn wir die Struktur kennen, können wir neue Medikamente entwickeln. Man könnte z.B. kleine Moleküle bauen, die in die Zellen eindringen, sich dort anstelle von "Hairless" an das Protein binden und das Notch Signal ausschalten."

Die Strukturanalyse zeigte eine bisher unbekannte Proteinbindung: "Die Bindung von "Hairless" an den "Suppressor of Hairless" ist sehr stark – um sie einzugehen, muss "Suppressor of Hairless" seine Struktur stark verändern, so dass "Hairless" tief in das Protein eindringen kann", so Dr. Maier.

Forscher vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickeln einen Test, der schnell und günstig Bakterien, Pilze oder Viren nachweist. Geringe Spuren wie Bestandteile ihrer Zellwände (Pyrogene) reichen für den Nachweis aus. Er lässt sich direkt vor Ort ohne Labortechnik und Spezialwissen durchführen. "Der ImmuStick kann Pyrogene bereits außerhalb des Körpers detektieren – zum Beispiel auf medizinischen Geräten oder in Krankenhauszimmern. Grundsätzlich wäre die Technologie aber auch interessant, um menschliches Blut auf Krankheitserreger oder Allergien zu testen", sagt Dr. Anke Burger-Kentischer.

Die Methode funktioniert so simpel wie ein Schwangerschaftstest: Der ImmuStick ist ein Teststreifen, auf den ein wenig Flüssigkeit geträufelt wird. Enthält die Flüssigkeit Pyrogene, Bruchstücke von Erregern, wird das durch einen Farbstreifen in einem Sichtfenster angezeigt. Auf der Oberfläche des Sticks werden zunächst Immunrezeptoren des Menschen befestigt, die für bestimmte Pyrogene empfindlich sind. Dabei handelt es sich um nach dem biologischen Vorbild synthetisierte, im Labor hergestellte Immunrezeptoren. An die Andockstelle der Immunrezeptoren, an der normalerweise die Pyrogene anbinden, wird bei der Herstellung zunächst eine Art Platzhalter montiert, der mit einem Farbstoff markiert ist. Tröpfelt man dann beim Test eine Flüssigkeit auf den Teststreifen, die Pyrogene enthält, drängen die Pyrogene an die Andockstelle am Immunrezeptor. Die mit dem Farbstoff markierten Platzhalter wandern mit der Flüssigkeit durch den Teststreifen, bis sie im Sichtfenster zu sehen sind. Das Farbsignal ist also der Hinweis darauf, dass Pyrogene enthalten sind, die sich an die Immunrezeptoren angedockt haben.

Das ImmuStick-Projekt wurde mit Geldern des Discover-Progamms gefördert. Damit unterstützt die Fraunhofer-Gesellschaft Projekte für die Dauer von einem Jahr, um die Machbarkeit einer Technologie zu zeigen. Diesen Test hat der ImmuStick bestanden. "Wir konnten zeigen, dass er für das Bakterien-Pyrogen LPS sehr gut funktioniert. Jetzt wollen wir ihn gemeinsam mit Industriepartnern zu einem Produkt weiterentwickeln", sagt Projektleiterin Burger-Kentischer. "Derzeit testen wir weitere Immunrezeptoren, die spezifisch für andere Pyrogene sind."

Angedacht sind derzeit Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmabranche oder in der Medizintechnik, da es dort auf absolute Keim- beziehungsweise Pyrogenfreiheit ankommt. Grundsätzlich wäre der ImmuStick auch für die Untersuchung von Blut interessant. Pyrogene im Blut führen oft zu einer Blutvergiftung, einer Sepsis, an der auch heute noch viele Menschen sterben, insbesondere geschwächte Intensivpatienten. "Das Blut ist allerdings eine besondere Herausforderung, weil es komplex ist und viele Inhaltsstoffe enthält. Mittelfristig streben wir aber eine Blutanalyse an", sagt Burger-Kentischer.

Da auch bestimmte Allergieauslöser zu den Pyrogenen zählen, wäre hier ebenfalls eine Anwendung denkbar. In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zum Beispiel ist es wichtig, dass die Produkte frei von Allergenen sind. Mit dem ImmuStick ließe sich dies in kürzester Zeit kostengünstig und einfach nachweisen. Aufwendige Labortests wären damit hinfällig oder könnten ergänzt werden. Derzeit suchen die IGB-Forscher Kooperationspartner, die den ImmuStick zur Marktreife weiterentwickeln wollen.

Pyrogene werden zum Problem, wenn es besonders auf Hygiene ankommt – zum Beispiel in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie oder auf Intensivstationen im Krankenhaus. Vor allem Menschen, deren Immunsystem geschwächt ist, können schwer erkranken. Vielfach werden deshalb Tests durchgeführt und die Oberfläche von Maschinen oder medizinischen Gegenständen durch Abstriche auf Pyrogene getestet. Diese Tests sind bislang allerdings recht aufwendig, weil sich die Pyrogene nur mit Labortechnik nachweisen lassen. Ein weit verbreiteter Standardtest ist der Nachweis von LPS, einer Struktur, die in der Membran bestimmter Bakterien auftritt. Dieser Test nimmt bislang etwa zwei Stunden in Anspruch. Andere Pyrogene lassen sich sogar nur im Tierversuch nachweisen.

MEDICA.de; Quelle: Fraunhofer IGB

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