Die rasche Ausbreitung von COVID-19, einer durch das SARS-CoV-2-Virus verursachten Krankheit, hat weltweit zu einer Krise der öffentlichen Gesundheit geführt. Die frühzeitige Erkennung und Isolierung von COVID-19 sind der Schlüssel zur Kontrolle der Krankheitsübertragung und zum Schutz gefährdeter Bevölkerungsgruppen. Der aktuelle Standard für die COVID-19-Diagnose ist die Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR), eine Technik, bei der virale Gene nachgewiesen werden, nachdem sie mehrere Amplifikationszyklen durchlaufen haben. Diese Technik ist jedoch zeitaufwändig, führt zu einem Teststau in den Diagnosezentren und zu verzögerten Diagnosen.
In einer kürzlich in Biosensors and Bioelectronics veröffentlichten Studie haben Forscher aus Korea und China eine neuartige, auf Nanotechnologie basierende Plattform vorgestellt, die die für die COVID-19-Diagnose erforderliche Zeit verkürzen kann. Ihre oberflächenverstärkte Raman-Streuungs(SERS)-PCR-Detektionsplattform – hergestellt unter Verwendung von Goldnanopartikeln (AuNPs) in den Hohlräumen von Au-„Nanodimple“-Substraten (AuNDSs) – kann virale Gene nach nur 8 Amplifikationszyklen nachweisen. Das ist fast ein Drittel der Anzahl, die bei herkömmlicher RT-PCR benötigt wird.
„Herkömmliche RT-PCR basiert auf dem Nachweis von Fluoreszenzsignalen, daher werden 3–4 Stunden benötigt, um SARS-CoV-2 nachzuweisen. Diese Geschwindigkeit reicht nicht aus, wenn man bedenkt, wie schnell sich COVID-19 verbreitet. Wir wollten einen Weg finden, diese Zeit mindestens zu halbieren“, erklärt Prof. Jaebum Choo die Motivation hinter der Studie. Glücklicherweise war die Antwort nicht zu weit. In einer früheren Studie, die 2021 veröffentlicht wurde, hatte das Team von Prof. Choo eine neuartige Detektionsplattform entwickelt, bei der hochempfindliche SERS-Signale von AuNPs erzeugt werden, die durch eine Technik namens DNA-Hybridisierung gleichmäßig in den Hohlräumen von AuNDSs angeordnet sind. Basierend auf dieser früheren Entdeckung entwickelten Prof. Choo und sein Team die neuartige SERS-PCR-Plattform für die COVID-19-Diagnose.
Der neu entwickelte SERS-PCR-Assay verwendet SERS-Signale zum Nachweis von „Brücken-DNA“ – kleine DNA-Sonden, die in Gegenwart viraler Zielgene langsam abgebaut werden. Daher nimmt in Proben von COVID-19-positiven Patienten die Konzentration der Brücken-DNA (und damit des SERS-Signals) mit fortschreitenden PCR-Zyklen kontinuierlich ab. Im Gegensatz dazu bleibt das SERS-Signal unverändert, wenn SARS-CoV-2 fehlt.
Das Team testete die Wirksamkeit seines Systems anhand von zwei repräsentativen Zielmarkern von SARS-CoV-2, nämlich den Genen des Hüllproteins (E) und der RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRp) von SARS-CoV-2. Während für den RT-PCR-basierten Nachweis 25 Zyklen erforderlich waren, benötigte die AuNDS-basierte SERS-PCR-Plattform nur 8 Zyklen, was die Testdauer erheblich verkürzte. „Obwohl unsere Ergebnisse vorläufig sind, liefern sie einen wichtigen Proof-of-Concept für die Gültigkeit der SERS-PCR als diagnostische Technik. Unsere AuNDS-basierte SERS-PCR-Technik ist eine vielversprechende neue molekulardiagnostische Plattform, die die für den Gennachweis erforderliche Zeit im Vergleich zu herkömmlichen RT-PCR-Techniken erheblich verkürzen kann. Dieses Modell kann durch die Integration eines automatischen Probennehmers weiter ausgebaut werden, um ein molekulardiagnostisches System der nächsten Generation zu entwickeln“, erklärt Prof. Choo.
Tatsächlich könnte SERS-PCR ein wichtiges Instrument in unserem Arsenal gegen die COVID-19-Pandemie sein. Es könnte auch einen Paradigmenwechsel auf dem Gebiet der Molekulardiagnostik bewirken und die Art und Weise revolutionieren, wie wir Infektionskrankheiten erkennen und zukünftige Epidemien bekämpfen.
