Einfachere und empfindlichere Tests für Malaria

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat ein neues Sensorverfahren entwickelt, um eine Malaria-Infektion bereits in einem frühen Stadium der Krankheit zu entdecken. Das Verfahren ist einfacher anzuwenden – und empfindlicher – als die derzeit verwendeten Tests. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift Natur Communications.

Malaria ist noch immer eine der tödlichsten Infektionserkrankungen weltweit. Jedes Jahr sterben in Afrika und Indien mehr als 400.000 Menschen an ihr, die meisten davon Kinder. Trotz globaler Anstrengungen steigen die Infektionszahlen in den letzten Jahren wieder an. Dabei ist die Erkrankung relativ leicht zu behandeln, insbesondere in den frühen Stadien der Infektion.

Eines der wirksamsten Mittel gegen die Ausbreitung von Malaria – neben der Vorbeugung etwa durch Moskitonetze – ist die „Test, Treat and Track“ Strategie. Die sogenannte T3-Initiative wurde 2012 von der Weltgesundheitsorganisation ins Leben gerufen: Jeder Malaria-Verdachtsfall sollte getestet, jeder bestätigte Fall mit einem qualitätsgesicherten Malariamedikament behandelt und die Krankheit durch ein zeitnahes und genaues Überwachungssystem verfolgt werden. Dies erfordert eine einfache – und empfindliche – Detektion von Malaria-Biomarkern in Blutproben.

Ein neues Sensorverfahren, das von einem internationalen Team von Wissenschaftlern aus Jülich, Neapel, Hongkong und Konstanz entwickelt wurde, könnte dies nun viel einfacher machen. Das Verfahren erlaubt es, den Malaria-Biomarker PfLDH in geringen Konzentrationen, so wie sie in frühen Infektionsstadien der Krankheit auftreten, zu detektieren. „Die Nachweisgrenze liegt bei einem Picogramm pro Milliliter Blut: Das ist um mehrere Größenordnungen geringer als bei kommerziell erhältlichen Malaria-Schnelltests und ELISA-Kits, die den derzeitigen Goldstandard darstellen“, erklärt Dirk Mayer vom Jülicher Institute of Biological Information Processing. Der Nachweis kann darüber hinaus direkt in Vollblutproben erfolgen – es ist also keine komplizierte Vorbehandlung der Blutproben notwendig. Die Sensoren können einfach hergestellt werden. „Im Fall von Malaria könnten Infektionen frühzeitig und preiswert nachgewiesen werden – was insbesondere für Entwicklungsländer ein wichtiger Faktor ist.“

Für den Test werden Antikörper und sogenannte DNS Aptamer-Rezeptoren verwendet. Für ihren Nachweis müssen die Antikörper auf dem Sensor immobilisiert werden. Dies geschieht durch ihre photonische Aktivierung, die in Neapel entwickelt wurde. Die Aptamere – spezielle Moleküle, die an Proteine des Malaria auslösenden Plasmodium-Parasiten binden – stammen aus Hongkong.

Die Sensoren wurden am Forschungszentrum Jülich entwickelt. Sie beruhen auf sogenannten Plasmonen: Oszillationen der Ladungsträgerdichte in Festkörpern. Am Aptamer-Rezeptor befestigte Fluoreszenz-Marker emittieren Licht, welches plasmonisch verstärkt wird. „Die dafür benötigten Oberflächenplasmonen wurden durch ein spezielles Nanopartikelfeld erzeugt, das hinsichtlich seiner Eigenschaften maßgeschneidert und auf beliebige Glasproben aufgebracht werden kann“, erklärt Dirk Mayer. „Das Partikelfeld wurde genau auf die Charakteristika des Fluoreszenzmarkers abgestimmt. Dadurch wurde eine optimale Fluoreszenzverstärkung erreicht – und damit auch eine extrem niedrige Nachweisgrenze.“
Die Nanopartikelfelder – entwickelt, hergestellt und optimiert von Wissenschaftlern in Jülich – wurden erstmalig für die Detektion von Malaria-Biomarkern genutzt. „Doch das Verfahren könnte prinzipiell ebenso für den Nachweis anderer Biomarker genutzt werden – und so auch für die Früherkennung von anderen Krankheiten bedeutsam sein“, so Mayer. „Zum einen ist es in der Lage, sehr geringe Mengen an Erregern zu detektieren. Zum anderen ist es denkbar, das Verfahren für Hochdurchsatz-Verfahren einzusetzen: automatisierte Screenings, bei denen an Zehntausenden Proben biochemische, genetische oder pharmakologische Tests durchgeführt werden.“

Originalpublikation: Ultrasensitive antibody-aptamer plasmonic biosensor for malaria biomarker detection in whole blood, Antonio Minopoli, Bartolomeo Della Ventura, Bohdan Lenyk, Francesco Gentile, Julian A. Tanner, Andreas Offenhäusser, Dirk Mayer, Raffaele Velotta, Nature Communications volume 11, Article number: 6134 (2020);
DOI: 10.1038/s41467-020-19755-0