Während der COVID-19-Pandemie wurden schnelle Virusnachweise zum alltäglichen Begleiter, die jedoch oft als unangenehm und nicht immer präzise empfunden wurden. Um dieses Problem zu lösen, hat der Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme an der Montanuniversität Leoben ein neues Schnelltestsystem entwickelt. Ähnlich einem Alkoholtester müssen Nutzerinnen und Nutzer lediglich in ein Röhrchen blasen, um innerhalb weniger Minuten ein Ergebnis zu erhalten. Dieses neue Testsystem könnte schon bald in der Lage sein, nicht nur Viren, sondern auch Bakterien und Pilzsporen zu identifizieren. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Sie reichen von der Krebsfrüherkennung über die Identifizierung von Umweltrisikofaktoren wie Pilzkontaminationen bis hin zu zahlreichen durch Viren verursachten Krankheitsbildern.
Während der Covid-Pandemie änderte sich unser Alltag schlagartig. Eine Begleiterscheinung waren die häufigen Virusnachweise, die zu vielen der notwendigen Maßnahmen gehörten. Diese Schnelltests waren zwar hilfreich, doch war der Prozess an sich oft unangenehm und nicht immer besonders präzise.
„Wir haben uns schon damals gedacht, ob es nicht möglich ist, einen Test zu entwickeln, der genauso einfach und schnell funktioniert wie ein Alkoholtester? Also ein Gerät, bei dem man einfach in eine Röhre bläst und innerhalb von Minuten ein Ergebnis erhält – beschwerdefreier als bei derzeitigen Testsystemen. Uns war jedoch wichtig, nicht nur Viren, sondern auch Bakterien, Pilzsporen und andere Mikroorganismen nachweisen zu können“, verrät Christian Mitterer, Leiter des Lehrstuhls für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme an der Montanuniversität Leoben. Diese Idee führte zur Entwicklung eines neuen Testsystems, das mittlerweile als „Proof of Concept“ existiert.
Einfache, aber raffinierte Testarchitektur
Der Aufbau des Testsystems ist gleichzeitig einfach und raffiniert: „Das Konzept funktioniert so, dass wir von einem Filter ausgehen, der typischerweise aus Glasfasermaterial besteht und mit speziellen Nanopartikeln funktionalisiert wird. Diese Nanopartikel – meist aus Edelmetallen wie Silber oder Platin – sind nur wenige Nanometer groß und besitzen die Fähigkeit, die Wechselwirkung eines Laserstrahles mit bestimmten chemischen Bindungen in Proteinen zu verstärken“, erklärt Nikolas Kostoglou, Professor am Lehrstuhl für Funktionale Werkstoffe und Werkstoffsysteme der Montanuniversität Leoben. Die Forschenden konzentrieren sich auf Proteine, weil sie als chemische Bindungen in jedem Mikroorganismus vorkommen und für dessen spezifische Charakterisierung – sei es ein Virus, ein Bakterium oder eine Pilzspore – essenziell sind. Mithilfe spezieller Laser-Messmethoden können diese Proteine gezielt nachgewiesen werden.
KI-gestützte SERS-Testmethode
Der Testmechanismus funktioniert so: „Man bläst in ein Blasröhrchen, welches mit diesem Filter ausgestattet ist. Die ausgeatmete Luft enthält winzige Tröpfchen, die bei einer Infektion Viren, Bakterien oder Sporen enthalten können, welche auf der 3D-Architektur des Filters landen. Die in den Tröpfchen enthaltenen Mikroorganismen werden durch die optische Methode ʺSurface Enhanced Raman Spectroscopyʺ (SERS) nachgewiesen: Hier regt ein Laser die Proteinstrukturen in den Tröpfchen zum Schwingen an – der sogenannte Raman-Effekt. Die Nanopartikel auf dem Filter verstärken diesen Effekt um bis zu elf Größenordnungen, sodass selbst kleinste Mengen eines Mikroorganismus nachgewiesen werden können. Dadurch kann man gezielt nachsehen, welche Schwingungen auftreten und ob diese Schwingungen für bestimmte Proteine charakteristisch sind. Das haben wir im letzten Jahr erfolgreich geschafft!“, freut sich Mitterer.
Kostoglou fügt hinzu: „Der Nachweis alleine reicht aber nicht aus, um eine genaue Diagnose zu stellen. Es ist eine Herausforderung, die spezifischen Fingerabdrücke von Viren, Bakterien und anderen Mikroorganismen zu identifizieren, vor allem, wenn in den Atemtröpfchen eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen drinnen ist.“ Mittels Machine-Learning-Algorithmen und Materialsystemdatenbanken suchen die Werkstoffforscher gezielt nach den charakteristischen „Fingerprints“ von Proteinstrukturen, die einzigartig für bestimmte Mikroorganismen sind. Durch dieses Vorgehen ermöglicht der neue Schnelltest die Erkennung von Mikroben mit höchster Empfindlichkeit.
Von der Krebsfrüherkennung bis hin zur Erkennung von Umweltrisikofaktoren
Die schnelle und unkomplizierte Nachweismöglichkeit von Mikroorganismen innerhalb weniger Minuten – und das deutlich angenehmer als bisher – könnte in vielen Branchen, insbesondere im Gesundheitswesen, bahnbrechende Vorteile bieten. Dieser neue Schnelltest könnte beispielsweise in der Krebsfrüherkennung oder bei der Identifizierung von Umweltrisikofaktoren wie Pilzsporen eine entscheidende Rolle spielen. „Aktuell sind wir auf der Suche nach Industriepartnern, um diesen Test weiterzuentwickeln, in eine Produktion zu überführen und so vielen PatientInnen helfen zu können“, erhofft Mitterer eine Markteinführung der Technologie.
Quelle
Montanuniversität Leoben (08/2025)