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Messinstrument

Auf der Spur des Corona­virus

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Nahaufnahme einer technischen Vorrichtung. © ISAS​/​TU Dort­mund
Der PAMONO Virensensor kann sichtbar machen, was Viren anrichten.

Während Viren zu klein für die optische Sichtbarmachung sind, kann das, was sie anrichten, sehr wohl sichtbar gemacht werden. Eine Messmethode möchten das Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) und der Sonder­forschungs­bereich (SFB) 876 der TU Dort­mund auf das neuartige Corona­virus Sars-CoV-2 anwenden.

Aus der seit 2010 bestehenden Kooperation des ISAS und der TU Dort­mund könnte eine wirkungsvolle Methode zur Eindämmung des neuartigen Corona­virus entstehen. Mit dem Virensensor zur „Plasmonen-unterstützten Mikroskopie von Objekten in Nanogröße“ (PAMONO) entwickelten Dort­mun­der Physiker, Informatiker und Mathematiker ein Instrument, mit dem Analyseverfahren in Echtzeit und vor Ort durchgeführt werden können. Der Sensor kann auch außerhalb von Speziallaboren genutzt werden, um den Infektionsstatus großer Gruppen, zum Beispiel Flughafenpassagiere oder Bewohner ganzer Wohnsiedlungen, zu erfassen. Von Probenentnahme – messbar sind Speichel, Blut oder auch Abwässer – bis zum Testergebnis vergehen nur wenige Minuten. Durch dieses Messverfahren können die Einschleppung, wei­tere Ausbreitung und das Wiederauftreten von Viren verhindert werden.

Sensor weist Viren indirekt nach

Denkbar ist der Einsatz des Sensors nun auch bei der Bekämpfung des neuartigen Corona­virus. Dazu arbeiten die Wis­sen­schaft­ler­in­nen und Wissen­schaft­ler des ISAS und der TU Dort­mund derzeit mit Anti-SARS-CoV-2-Antikörpern, um den Sensor entsprechend auf die Coronaviren vorzubereiten.

Denn: Der Sensor funktioniert durch Ausnutzung eines physikalischen Effekts, der eine Brücke zwischen Mikrometer- und Nanometer-Bereich schlägt: Viren – so auch Coronaviren – sind Objekte des Nanometer-Bereichs und damit zu klein, um mit optischen Mikroskopen nachgewiesen zu werden, da diesen nur der Mikrometer-Bereich zugänglich ist. Mikroskopen fehlt zum direkten Nachweis von Viren die nötige Vergrößerungskraft. Der Sensor weist Viren hingegen indirekt nach, indem er Veränderungen in der sogenannten Oberflächen-Plasmonen-Resonanz misst, welche die Viren auf dem Sensor verursachen.

Prinzipiell basiert dies auf der Erkennung von markierungsfreien biomolekularen Bindungsreaktionen an einer Goldoberfläche, in einer mit einer CCD-Kamera aufgenommenen Bildserie. Obwohl ein Virus als Ursache nur nanometergroß ist, erstreckt sich die Resonanz als Wirkung über den Mikrometer-Bereich. Diese charakteristischen Veränderungen werden durch Bild- und Signalanalyseverfahren basierend auf speziellen Neuronalen Netzwerken ermittelt und erlauben eine Ermittlung unterschiedlicher viraler Krankheitserreger mit hoher Detektionsrate in Echtzeit.

Nahaufnahme einer technischen Vorrichtung mit vielen Komponenten. © ISAS​/​TU Dort­mund
Forscherinnen und Forscher des Leibniz-Instituts für Analytische Wissenschaften und der TU Dort­mund prüfen derzeit, ob sich der PAMONO Sensor gegen das neuartige Corona­virus einsetzen lässt.

„Kostengünstiger, mobil einsetzbarer Sensor“

„So werden Viren optisch nachweisbar, was einen kostengünstigen, mobil einsetzbaren Sensor und sehr schnelle Tests ermöglicht“, fasst Dr. Roland Hergenröder zusammen, der die Projektgruppe auf Seiten des ISAS leitet. Er hofft, dass mit der Verfügbarkeit von Anti-SARS-CoV-2-Antikörpern der Sensor somit zeitnah auch zum Nachweis des neuartigen Corona­virus eingesetzt werden kann.

Entwickelt wurden Sensor und Analyse-Verfahren in einer Kooperation aus Physikern, Informatikern und Mathematikern des ISAS und der Lehrstühle für Computergraphik und Eingebettete Systeme der TU Dort­mund im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 876, Teilprojekt B2 mit dem Namen „Ressourcen-optimierte Echtzeitanalyse stark Artefakt-behafteter Bildsequenzen zur Detektion von Nanoobjekten“. Gefördert wird dieser Sonder­forschungs­bereich von der Deutschen Forschungsgemein­schaft mit insgesamt 25 Millionen Euro. Prof. Katharina Morik, Gründerin und Lei­te­rin des Bereichs für Künstliche Intelligenz an der Fakultät für Informatik an der TU Dort­mund, warb im Jahr 2011 den Sonder­forschungs­bereich 876 er­folg­reich ein. „Auf den PAMONO Sensor sind wir ohnehin stolz; wenn er nun gegen Corona eingesetzt werden kann, ist das wunderbar“, fasst Morik zusammen.

 

Ansprechpersonen für Rückfragen:

Prof. Katharina Morik, TU Dort­mund
Fakultät für Informatik
Tel. 0231 755-6033
E-Mail: katharina.moriktu-dortmundde

Dr. Roland Hergenröder, ISAS
Leiter der Arbeits­gruppe Bioresponsive Materials
Tel. 0231 13 92-178
E-Mail: roland.hergenroederisasde

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