Tuberkulose bekämpfen Mit Photonik Bakterien schneller aufspüren

Die UN will die Tuberkulose-Epidemie bis 2030 beenden. Dabei helfen kann die Photonik. Acht Forschungspartner wollen bis 2024 ein kompaktes Nachweissystem entwickeln, um gefährliche Multiresistenzen schnell zu diagnostizieren.

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Multiresistenten sind ein großes Problem bei Infektionskrankheiten. Multiresistente Varianten des Bakteriums Mycobacterium tuberculosis beispielsweise sind vor allem aufgrund mangelnder Laborinfrastruktur in Entwicklungsländern ein zunehmendes Problem bei der Diagnose und damit bei der erfolgreichen Behandlung.

Mithilfe einer photonischen Plattform soll es auch außerhalb einer Laborumgebung möglich sein, beispielsweise Tuberkulose sicher zu diagnostizieren. Das Prinzip der Detektionsplattform beruht auf zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung. Damit kann man auf komplexe Optiken und Wellenllängenfilter verzichten. Im Projekt „Zeitaufgelöste Fluoreszenzdetektion für die integrierte Multiparameter-Analyse von Multiresistenzen beispielgebend bei Tuberkulose“, kurz FluoResYst, entwickeln acht Partner eine Methode für eine beschleunigte Diagnostik von Multiresistenzen von bakteriellen Erregern am Beispiel der Tuberkulose.

Ziel ist ein kompaktes und kostengünstiges photonisches Point-of-Care-Nachweissystem, das die Tuberkulosediagnostik auch außerhalb von Laboren und somit schnell und direkt vor Ort ermöglichen soll.

Fluoreszenz-Quenching-Effekt: Wenn die DNA aufleuchtet

Durch die clevere Methode sollen zum einen aufwändige manuelle Laborschritte für den biochemischen Nachweis verkürzt und bereits im Gerät bereitgestellt und zum anderen die schnelle Detektion und Auswertung über integrierte optoelektronische Komponenten erreicht werden.

Die Detektion der Multiresistenz-Gene der Erreger basiert auf einem Fluoreszenz-Quenching-Effekt. Dabei wird das Leuchten eines Fluoreszenz-Farbstoffes, der an ein DNA-Fragment gekoppelt ist, durch die Bindung eines Antikörpers unterdrückt. Wird nun eine Probe mit dem gesuchten Genabschnitt hinzugegeben, löst sich diese Bindung und die DNA leuchtet auf.

Schneller Bildsensor, schnellerer Laser

Um Fluoreszenz erfassen zu können, werden die entsprechenden Fluoreszenz-Farbstoffe mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt und geben daraufhin Licht einer anderen Wellenlänge ab, das gemessen wird. Um das Nachweissystem günstig zu gestalten, sollen Anregungs- und Fluoreszenzlicht nicht über teure optische Filter, sondern über ihre Abklingzeiten unterschieden werden.

Die für den Quenching-Effekt eingesetzten Fluoreszenz-Farbstoffe haben sehr kurze Nachleuchtzeiten von wenigen Nanosekunden. Um die Multiresistenz-Gene zeitaufgelöst messen zu können, benötigt man einen sehr schnellen Bildsensor und einen noch schnelleren Laser als Anregungslicht. Der Laser muss das Licht innerhalb von Pikosekunden schalten können. Für beides werden im Projekt neue integrierte Schaltungen entwickelt.

Der Bildsensor wird mit Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPAD) realisiert. Dabei handelt es sich um hochempfindlichen und bislang meist für Anwendungen im autonomen Fahren genutzte Photodioden. Sie können nicht nur einzelne Photonen detektieren, sondern erreichen vor allem die benötigten Messgeschwindigkeiten bis in Gigahertz-Bereich.

Plattform ist ausbaubar

Die Kombination aus biochemischen Fluoreszenz-Quenching-Antikörper-Assays mit der photonischen Integration zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung für kurzlebige Fluorochrome verbessert die Detektion erheblich. Waren bisher nur aufwändig zugängige komplexe Analysen möglich, kann von dem neuen Verfahren die breite Masse profitieren. So wird die Entwicklung der Plattform nicht nur die Tuberkulosediagnostik und die Bestimmung von Multiresistenzen verbessern und durch beschleunigte Diagnostik vor Ort zur Eindämmung der Seuche beitragen.

Sie lässt sich zudem anpassen. Ihre Anpassungsfähigkeit an andere Multiresistenznachweise wird es ebenfalls ermöglichen, die Diagnostik anderer häufig von Resistenzerscheinungen betroffener Infektionen zu optimieren.

Die am Projekt beteiligten Verbundpartner sind

• LIONEX (Verbundkoordinator),

• IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH,

• iC-Haus,

• X-FAB,

• DITABIS Digital Biomedical Imaging Systems,

• Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik & Bioprozesse IZI-BB,

• microfluidic ChipShop und

• Institut für Molekulare Diagnostik und Bioanalytik (IMDB).

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