BREISGAU, 10.11.2021 — Unter Berufung auf die weltweit zunehmenden Antibiotikaresistenzen haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik (Fraunhofer IPM) gemeinsam mit denen der Ludwig-Maximilians-Universität München ein Verfahren entwickelt, um schnell Nachweis multiresistenter Erreger. Die Methode ist empfindlich genug, um ein einzelnes DNA-Molekül zum Nachweis von Krankheitserregern verwenden zu können.

Um das wirksamste Antibiotikum zu finden, sind oft Informationen über das Genom des Bakteriums erforderlich, die in Arztpraxen normalerweise nicht verfügbar sind. Normalerweise sind Labortests erforderlich, die die Suche zeitaufwändiger und komplexer machen. Das von den Forschern entwickelte Verfahren beschleunigt den Prozess, indem ein Mikrofluidik-Chip verwendet wird, um einzelne Moleküle zu erkennen und zu analysieren. Der Fokus des Projektes SiBoF (Signalbooster für Fluoreszenzassays in der Molekulardiagnostik) liegt auf einer einfach zu handhabenden Point-of-Care-Detektionsmethode. Die Forscher erwarten, dass die Plattform im Rahmen der Point-of-Care-Diagnostik auf Krankenstationen oder in Arztpraxen als Alternative zu den etablierten Polymerase-Kettenreaktionsanalysen eingesetzt wird.
Das kompakte Gerät zum Nachweis multiresistenter Erreger führt alle Reaktionsschritte automatisch durch und liefert innerhalb einer Stunde ein Ergebnis. Schon ein einziges DNA-Molekül reicht zum Nachweis aus. Mit freundlicher Genehmigung von Fraunhofer IPM
Ein Forscherteam in Deutschland hat ein Verfahren zum schnellen Nachweis multiresistenter Erreger entwickelt. Das Verfahren verwendet ein kompaktes Gerät, das alle Reaktionsschritte automatisch durchführt und innerhalb einer Stunde ein Ergebnis liefert. Schon ein einziges DNA-Molekül reicht zum Nachweis aus. Mit freundlicher Genehmigung von Fraunhofer IPM.
Die tragbare, kompakte Testplattform ist mit einem automatisierten Fluidiksystem ausgestattet, in dem alle notwendigen Reagenzien gespeichert sind. Der spritzgegossene Mikrofluidik-Chip wird in eine Schublade des Testsystems eingebaut, wo er vor der optischen Analyse über das Fluidiksystem mit den notwendigen Reagenzien versorgt wird.

„Wir weisen einen Teil des DNA-Strangs des Erregers nach. Mit unserem neuen Verfahren reicht dafür bereits ein einzelnes DNA-Molekül, das an eine bestimmte Stelle des Mikrofluidik-Chips bindet. In den Chip sind fluidische Kanäle integriert, deren Oberflächen mit Bindungsstellen für bestimmte Krankheitserreger geprimt sind“, erklärt Benedikt Hauer, Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPM.

Das Point-of-Care-Gerät verfügt über ein miniaturisiertes hochauflösendes Fluoreszenzmikroskop. Eine speziell entwickelte Bildanalysesoftware identifiziert einzelne Moleküle, wodurch die erfassten Zielmoleküle gezählt werden können, um ein quantitatives Ergebnis zu liefern. Die Fluoreszenz wird durch LEDs stimuliert, die unterhalb der Kartusche angebracht sind, die die Fluidikkanäle enthält.

Üblicherweise werden Ziel-DNA-Moleküle mittels spezifischer Fluoreszenzmarker nachgewiesen. Die neue Methode verwendet Antennen mit nanometergroßen Kügelchen, die die optischen Signale dieser Marker verstärken und die Abhängigkeit von chemischer Amplifikation über PCR überflüssig machen.

„Die optischen Antennen bestehen aus nanometergroßen Metallpartikeln, die das Licht in einem winzigen Bereich konzentrieren und auch dazu beitragen, das Licht auszusenden – ähnlich wie es makroskopische Antennen mit Radiowellen tun“, sagte Hauer. Die Metallpartikel werden chemisch an die Oberfläche des Chips gebunden.

Eine Struktur aus DNA-Molekülen, die die Forscher als DNA-Origami klassifizierten, hält die beiden Gold-Nanopartikel an Ort und Stelle. Zwischen den Nanopartikeln bietet die Struktur eine Bindungsstelle für das jeweilige Zielmolekül und einen Fluoreszenzmarker. Das patentierte Design bildet die Grundlage für die neuartige Assay-Technologie.