ETH-Forscher um Raffaele Mezzenga haben ein neues Diagnoseverfahren entwickelt. Dieses beruht auf der Licht-Doppelbrechung und speziellen Lipid-Trägersubstanzen. Mit diesem Verfahren könnten Ärzte weltweit einfach, rasch und zuverlässig Malaria, Ebola oder auch HIV nachweisen.
Der Forscher Jijo Vallooran misst mit einem einfachen Belichtungsmesser und einem App auf seinem Smartphone die Lichtintensität einer Probe. (Bild: Labor Prof. R. Mezzenga / ETH Zürich)
Nichts scheint einfacher als das: Man gibt einen Tropfen Blut auf eine Trägersubstanz und wartet ein paar Minuten. Danach legt man den Objektträger in ein Gerät ein, zwischen zwei kreuzweise angeordnete Lichtpolarisationsfilter. Enthält nun die Probe winzige Kristalle, welche Licht doppelbrechen, tritt Licht aus dem Gerät aus.
Und genau das passiert, falls eine Person an Malaria erkrankt ist: Die Probe erzeugt ein Doppelbrechungsmuster, sodass man anhand dieses einfachen Ja-oder-Nein-Schemas rasch und unkompliziert den Nachweis für diesen Krankheitserregern erbringen kann. Auch lässt sich über einen handelsüblichen Belichtungsmesser, der an ein Smartphone angesteckt und über eine App gesteuert wird, die Lichtintensität und damit die Menge des gesuchten Erregers messen.
Günstigen Schnelltest entwickelt
Was sich fast ein wenig nach Science Fiction anhört, ist soeben Realität geworden. Die Forschungsgruppe von Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien, hat vor Kurzem eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, in der sie diesen neuen Schnelltest vorstellt. Mit dem Testverfahren lassen sich nicht nur Malaria-Erreger nachweisen, sondern auch Viren wie HIV oder das Ebolavirus, diverse Bakterien oder Biomarker wie Glukose oder Cholesterin.
Die Nachweismethode ist nicht nur extrem schnell, sie ist auch verglichen mit anderen Nachweismethoden sehr günstig. Das Polarisationsgerät kostet gerademal 20 Franken, sagt Jijo Vallooran, Erstautor der Publikation, die soeben in der Fachzeitschrift «Advanced Functional Materials» erschienen ist.
Doppelbrechung ausgenutzt
So allgemein das Konzept hinter dieser neuen Technologie ist und so einfach deren Bedienung scheinen mag, so komplex ist die wissenschaftliche Grundlage, die der Erfindung der ETH-Forscher zugrunde liegt.
Die Wissenschaftler nutzen für ihr Verfahren sogenannte lyotrope Flüssigkristalle, die aus sich selbstorganisierenden Strukturen von Fettmolekülen in Wasser bestehen. Mit solchen Flüssigkristallen arbeitet die Forschungsgruppe von Raffaele Mezzenga schon seit Längerem. Die Wissenschaftler nutzen diese auch für andere Anwendungen, wie etwa die Wirkstoff-Verabreichung oder die Proteinkristallisation.
Lyotrope Flüssigkristalle ordnen sich in speziellen Netzwerken mit einzigartiger Symmetrie an. Das heißt, dass sich das kubische Grundmotiv des Flüssigkristalls periodisch wiederholt. Im Fall der dreidimensionalen Flüssigkristallphasen bilden sich Nanokanäle aus Lipid-Doppelmembranen. Deren Durchmesser beträgt wenige Nanometer, sodass im Flüssigkristall nur wenige freie Wassermoleküle verfügbar sind. Die Mehrheit davon ist an die Kanalwände gebunden. Die Flüssigkristalle sind isotrop und weisen damit keine lichtdoppelbrechenden Eigenschaften auf. Zwischen den zwei kreuzweise angeordneten Polarisationsfiltern betrachtet erscheinen sie schwarz.
Enzymatische Reaktionen erzeugen Signal
Lichtbrechungsmuster einer Ebola-positiven Probe. (Bild: ETH Zürich/Jijo Vallooran)
Um die Doppelbrechung und damit ein Signal zu erzeugen, griffen die Forscher noch einmal in die Trickkiste: Sie fügen dem Flüssigkristall bestimmte Enzyme hinzu, sodass in den Nanoröhren chemische Reaktionen ablaufen können. Weil nur sehr wenig Wasser in den Röhren frei verfügbar ist, werden die Produkte der Reaktionen als Kristalle ausgefällt. Diese verfügen über die Eigenschaft der Lichtdoppelbrechung.
Betrachtet man nun die Probe durch die Kreuz-Polarisationsfilter, erkennt man farbige Lichtmuster für den Fall, dass das Enzym mit der zu testenden Substanz reagiert hat. «Dieses Doppelbrechungsmuster ist das einzige Signal, das wir für Diagnosen und Analysen verwenden müssen», sagt Mezzenga.
Schrittweises Herantasten an Malaria-Nachweis
Zu Beginn ihrer Forschung testeten die Wissenschaftler ihr System mit chemischen Verbindungen, die enzymatisch umgewandelt werden können. Danach verfeinerten sie ihre Methode und passten sie für medizinisch relevante Substanzen wie Glukose oder Cholesterin an. In weiteren Schritten weiteten sie den Umfang der möglichen Tests auf Bakterien und Viren aus, beginnend mit dem HI-Virus.
Schließlich konnten Mezzenga, Vallooran und Kollegen aufzeigen, dass sich ihre Methode auch für die Diagnose von Malaria, die durch Plasmodien hervorgerufen wird, anpassen lässt. «Plasmodien dringen in rote Blutkörperchen ein und verzehren das Hämoglobin, den roten Blutfarbstoff. Der Häm-Teil, welcher für die Parasiten giftig ist, kristallisiert aus und hat von Natur aus lichtdoppelbrechende Oberflächen. Dadurch müssen wir den Parasiten weder mit Antikörpern markieren noch brauchen wir eine enzymatische Reaktion, um ein Lichtsignal zu erhalten», erklärt Mezzenga.
Viren oder Bakterien hingegen müssen erst mit spezifischen Antikörpern mit an sie gebundenen Enzymen sichtbar und chemisch aktiv gemacht werden, ehe sie mit der Licht-Doppelbrechung festgestellt werden können.
Flexibel, günstig, praktisch
«Unser Testsystem lässt sich auf eine große Zahl von verschiedenen Viren oder Bakterien ausweiten, es ist absolut flexibel», betont Vallooran. Weil es so einfach zu bedienen ist und für den Nachweis von Viren beispielsweise nur ein Set von Antikörper-Enzym-Konjugaten benötigt wird, sieht der ETH-Forscher den Einsatz gerade in Gebieten, die sich teure Laborausrüstung nicht leisten können. «Außer einem Kühlschrank zur Aufbewahrung von Antikörpern und Enzymen brauchen Anwender nur das Gerät für den Nachweis von polarisiertem Licht sowie die Lipidträgersubstanz. Beides ist sehr günstig», sagt er. Die Detektion von Krankheiten wie Aids oder Ebola sei in weniger als einer Stunde zuverlässig möglich. «Unsere Technologie ist für den Feldeinsatz und die Früherkennung von Krankheiten sehr geeignet».
Für die Erforschung dieser Technologie erhielt Jijo Vallooran ein ETH Pioneer Fellowship. Die Forschenden haben die neue Technologie auch zum Patent angemeldet. «Wir möchten etwas wirklich Nützliches herstellen», sagt Vallooran. Das Potenzial ihrer Nachweismethode sei sehr hoch, gerade auch im Hinblick auf aufflammende Krankheiten wie Malaria oder Ebola, die sich rasch verbreiten. Die ETH-Forscher arbeiten deshalb derzeit mit Hochdruck daran, mehr Mittel für die Weiterentwicklung ihrer Methode zu beschaffen, um diese möglichst bald auf den Markt bringen zu können.
von Peter Rüegg, ETH Zürich, 11.12.2015
Originalpublikation:
Vallooran JJ, Handschin S, Pillai SM, Vetter BN, Beck H-P, Rusch S, Mezzenga R. Lipidic Cubic Phases as a Versatile Platform for the Rapid Detection of Biomarkers, Viruses, Bacteria and Parasites. Advanced Functional Materials, published online 4 December 2015. DOI: 10.1002/adfm.201503428