COVID-19-Test weist Antikörper in winzigen BlutProben nach

Nach einer Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus, das COVID-19 verursacht, beginnt im menschlichen Körper die Produktion von Immunmolekülen oder sogenannten Antikörpern. Der COVID-19-Antikörpertest erfasst das Vorhandensein von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 im Blut. Da es mehrere Tage bis Wochen dauern kann, bis sich Antikörper entwickeln, können Antikörpertests keine aktiven Infektionen nachweisen, aber sie können dabei helfen, herauszufinden, welcher Anteil der Bevölkerung in der Vergangenheit mit dem Virus infiziert wurde. Dieses Wissen ist nützlich für epidemiologische Untersuchungen und zur Information der Gesundheitspolitik. Antikörpertests sind auch ein leistungsfähiges Instrument, um die Wirksamkeit des COVID-19-Impfstoffs in klinischen Studien zu analysieren, wenn Wissenschaftler den Anstieg der Antikörper nach der Impfung von Freiwilligen untersuchen.

Antikörpertests sind jedoch auf relativ teure Reagenzien angewiesen und erfordern typischerweise grössere Mengen an Blut, das nur von medizinischem Fachpersonal mittels venöser Blutentnahme abgenommen werden kann. Hinzu kommt, dass einige der auf dem Markt befindlichen Tests zu ungenau sind, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Jetzt haben Forscher der EPFL, der UNIGE und des HUG einen hochpräzisen Test entwickelt, der mit winzigen Mengen an Reagenzien und einzelnen Blutstropfen Hunderte von Proben gleichzeitig analysieren kann.

«Das Coolste an unserem Ansatz ist, dass man mit einer minimalen Reagenzienmenge viele Tests auf einmal durchführen kann und man könnte die Leute sogar ihre eigenen Blutproben zu Hause sammeln lassen», sagte Studien-Erstautorin Zoe Swank, eine ehemalige Doktorandin am «Laboratory of Biological Network Characterization» der EPFL unter der Leitung von Sebastian Maerkl.

Anfang 2020 taten sich Swank und Maerkl mit Benjamin Meyer, Virologe an der UNIGE-Fakultät für Medizin und wissenschaftlicher Mitarbeiter der HUG-Abteilung für Labormedizin, und mit Isabella Eckerle, Professorin an der Medizinischen Fakultät der UNIGE und medizinische Koordinatorin des «Zentrums für neu auftretende Viruserkrankungen» der UNIGE und des HUG, zusammen. Sie machten sich daran, eine zuvor in Maerkls Labor entwickelte Diagnostikplattform so umzugestalten, dass sie für die Durchführung von SARS-CoV-2-Antikörpertests verwendet werden kann.

Die Plattform, die bis zu 1’024 Proben auf einmal analysieren kann, besteht aus einem komplexen Netzwerk winziger Röhren, die in einen Kunststoffchip von der Grösse eines USB-Sticks eingraviert sind. Um den Assay durchzuführen, leiten die Forscher einzelne Blutproben und Testreagenzien durch die Kanäle dieses «mikrofluidischen» Chips. Wenn Antikörper gegen SARS-CoV-2 in einer Blutprobe vorhanden sind, erzeugt ein Molekül ein Signal, das unter dem Mikroskop als fluoreszierendes Leuchten nachgewiesen werden kann.

Als das Team Blutproben von 155 mit SARS-CoV-2 infizierten Personen untersuchte, wies der Assay in 98 % der Fälle Antikörper gegen das Virus nach. Der Assay ist zudem extrem spezifisch: Er wies in keinem Fall Antikörper gegen das Virus in Proben von Menschen nach, die nicht mit SARS-CoV-2 infiziert waren.

Da das mikrofluidische Gerät sehr klein ist, stellen die verwendeten Mengen an Blut und Reagenzien nur einen Bruchteil derjenigen dar, die für Standard-COVID-19-Antikörpertests benötigt werden. Da man auf einer einzigen Plattform Hunderte von Assays laufenlassen kann, bedeutet dies laut Maerkl, dass eine Person mehr Assays in kürzerer Zeit durchführen kann, was potenzielle Kosteneinsparungen bei den Mitarbeitern bedeutet. «Wenn man eine Überschlagsrechnung macht und alles berücksichtigt, einschliesslich der Lohnkosten und der Kosten für Reagenzien, kommen wir auf etwa 0,5 Schweizer Franken pro Assay», sagte er. «Der Betrag ist fast vernachlässigbar.»

Um das Blut nicht mehr aus den Venen von Menschen entnehmen zu müssen, untersuchten Swank und ihre Kollegen, ob man mittels Fingerstich gewonnene Blutproben verwenden könnte - ein einfaches Verfahren, bei dem mit einer winzigen Nadel in den Finger gestochen wird, um eine kleine Menge Blut zu gewinnen. Die Forscher testeten drei handelsübliche Geräte zur Durchführung von Bluttests mittels Fingerstich, darunter auch Glukose-Teststreifen, die von Menschen mit Diabetes zur Messung ihres Blutzuckerspiegels verwendet werden.

Der auf Mikrofluidik basierende Antikörpertest konnte mit Blutproben, die mit allen drei Methoden entnommen wurden, erfolgreich durchgeführt werden, selbst wenn das Blut getrocknet und etwa eine Woche bei Raumtemperatur gelagert wurde oder wenn die Proben mit der Post von Genf nach Lausanne verschickt wurden. Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

«Der Ansatz der dezentralen Blutentnahme durch einen einfachen Fingerstich, der sogar zu Hause durchgeführt werden kann, und ein ausgeklügelter laborgestützter Assay mit hoher diagnostischer Genauigkeit machen diesen Test für gross angelegte epidemiologische Studien äusserst attraktiv», erklärte Isabella Eckerle. «Er könnte sogar in abgelegenen geografischen Regionen eingesetzt werden, in denen es keine ausreichenden Laborkapazitäten gibt, zum Beispiel für Seroprävalenzstudien in Afrika südlich der Sahara.» Sie fügte hinzu, dass «die geringe Blutmenge und die schnelle und fast schmerzlose Entnahme mittels Fingerstich diese Methode auch für den Einsatz bei Kindern sehr attraktiv macht und eine einzigartige Möglichkeit bietet, die Seroprävalenz in Kindertagesstätten oder Kindergärten zu ermitteln».

Maerkl und seine Mitarbeiter setzen den Test nun ein, um die Prävalenz von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 bei Kindergartenkindern in Genf zu bestimmen, in Zusammenarbeit mit Silvia Stringhini und Idris Guessous der «Population Epidemiology Unit» am HUG und Professoren an der Abteilung für Gesundheit und Medizin der medizinischen Fakultät der UNIGE. In Zukunft, so Maerkl, könnte diese Technologie es möglich machen, dass Menschen ein Blutentnahme-Kit in einer Apotheke oder einem Supermarkt kaufen, sich mit einem einfachen Fingerstich ein wenig Blut abnehmen und es an ein zentrales Labor schicken, das die Blutprobe analysiert und die Testergebnisse per E-Mail oder über eine Smartphone-App zurückschickt.

Laut Maerkl ist die Anzahl der molekularen Assays, die mit der mikrofluidischen Diagnostikplattform durchgeführt werden können, offenbar unbegrenzt. «Wir sind daran interessiert, diese Plattform auf andere Arten von Assays zu erweitern, die weitere gegebenenfalls interessante Biomarker nachweisen könnten - zum Beispiel den Ferritinwert im Blut von Menschen mit Anämie», sagte er.