Wissenschaftler entwickeln Atemtest, der COVID schnell erkennt

Testergebnisse sind in weniger als einer Minute verfügbar

von Jim Dryden•31. Juli 2023

Benjamin Sumlin, PhD, ein leitender Wissenschaftler an der Washington University in St. Louis, bläst in ein von Forschern der Universität entwickeltes Gerät. Das Gerät – ein Atemtest, der einen Biosensor verwendet – könnte zu einem Werkzeug werden, das in Arztpraxen eingesetzt werden kann, um Menschen, die mit dem Virus infiziert sind, das COVID-19 verursacht, schnell zu diagnostizieren.

Wissenschaftler der Washington University in St. Louis haben einen Atemtest entwickelt, der schnell diejenigen identifiziert, die mit dem Virus infiziert sind, das COVID-19 verursacht. Das Gerät benötigt nur ein bis zwei Atemzüge und liefert Ergebnisse in weniger als einer Minute.

Die Studie ist online in der Zeitschrift ACS Sensors verfügbar. Dieselbe Forschergruppe veröffentlichte kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications einen Artikel über einen Luftmonitor, den sie entwickelt hatte, um SARS-CoV-2 – das Virus, das COVID-19 verursacht – in der Luft innerhalb von etwa fünf Minuten in Krankenhäusern, Schulen und anderen öffentlichen Orten zu erkennen .

In der neuen Studie geht es um einen Atemtest, der in Arztpraxen zu einem Hilfsmittel werden könnte, um mit dem Virus infizierte Personen schnell zu diagnostizieren. Sollten neue Stämme von COVID-19 oder anderen durch die Luft übertragenen Krankheitserregern auftreten, könnten solche Geräte auch zur Untersuchung von Personen bei öffentlichen Veranstaltungen eingesetzt werden. Die Forscher sagten, der Atemtest habe auch das Potenzial, Ausbrüche in Situationen zu verhindern, in denen viele Menschen auf engstem Raum leben oder interagieren – beispielsweise an Bord von Schiffen, in Pflegeheimen, in Wohnheimen von Hochschulen und Universitäten oder auf Militärstützpunkten.

„Bei diesem Test gibt es keine Nasenabstriche und kein 15-minütiges Warten auf Ergebnisse wie bei Heimtests“, sagte der Mitautor Rajan K. Chakrabarty, PhD, Harold D. Jolley Career Development Associate Professor für Energie, Umwelt und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering. „Eine Person bläst einfach in ein Röhrchen im Gerät und ein elektrochemischer Biosensor erkennt, ob das Virus dort ist. Die Ergebnisse liegen in etwa einer Minute vor.“

Der im Gerät verwendete Biosensor wurde von einer Technologie im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit übernommen, die von Wissenschaftlern der Washington University School of Medicine in St. Louis entwickelt wurde, um Amyloid-Beta und andere mit der Alzheimer-Krankheit verbundene Proteine ​​im Gehirn von Mäusen nachzuweisen. John R. Cirrito, PhD, Professor für Neurologie von der School of Medicine, und Carla M. Yuede, PhD, außerordentliche Professorin für Psychiatrie – beide auch Mitautoren der Studie – verwendeten einen Nanokörper, einen Antikörper von Lamas, um Erkennen Sie den Virus, der COVID-19 verursacht.

Chakrabarty und Cirrito sagten, der Atemtest könne so modifiziert werden, dass er gleichzeitig andere Viren erkennt, darunter Influenza und Respiratory Syncytial Virus (RSV). Sie glauben auch, dass sie innerhalb von zwei Wochen nach Erhalt der Proben einen Biodetektor für jeden neu auftretenden Krankheitserreger entwickeln können.

„Es ist ein bisschen wie ein Alkoholtest, den ein behinderter Fahrer machen könnte“, sagte Cirrito. „Und wenn Menschen beispielsweise in der Schlange stehen, um ein Krankenhaus, eine Sportarena oder den Lageraum des Weißen Hauses zu betreten, sind 15-minütige Nasenabstrichtests nicht praktikabel, und PCR-Tests dauern noch länger. Außerdem sind Heimtests zu etwa 60 bis 70 % genau und liefern viele falsch negative Ergebnisse. Dieses Gerät wird diagnostische Genauigkeit haben.“

Die Forscher begannen mit der Arbeit an dem mit 3D-Druckern hergestellten Atemtestgerät, nachdem sie im August 2020, im ersten Jahr der Pandemie, ein Stipendium der National Institutes of Health (NIH) erhalten hatten. Seit Erhalt des Zuschusses haben sie Prototypen im Labor und in der klinischen Forschungseinheit für Infektionskrankheiten der Washington University getestet. Das Team testet das Gerät weiterhin, um seine Wirksamkeit beim Nachweis des Virus bei Menschen weiter zu verbessern.

Für die Studie testete das Forschungsteam COVID-positive Personen, die jeweils zwei, vier oder acht Mal in das Gerät ausatmeten. Der Atemtest ergab keine falsch negativen Ergebnisse und lieferte nach zwei Atemzügen jeder getesteten Person genaue Ergebnisse. Die klinische Studie läuft derzeit, um COVID-positive und -negative Personen zu testen, um das Gerät weiter zu testen und zu optimieren.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass der Atemtest mehrere verschiedene Stämme von SARS-CoV-2 erfolgreich nachweist, darunter den ursprünglichen Stamm und die Omicron-Variante, und dass ihre klinischen Studien aktive Stämme im Raum St. Louis messen.

Um den Atemtest durchzuführen, stecken die Forscher einen Strohhalm in das Gerät. Ein Patient bläst in den Strohhalm, und dann sammeln sich Aerosole aus dem Atem der Person an einem Biosensor im Inneren des Geräts. Das Gerät wird dann an eine kleine Maschine angeschlossen, die die Signale des Biosensors liest, und in weniger als einer Minute zeigt die Maschine einen positiven oder negativen Befund von COVID-19 an.

Klinische Studien werden fortgesetzt und die Forscher planen, das Gerät bald auch in Kliniken außerhalb der klinischen Forschungseinheit für Infektionskrankheiten der Washington University einzusetzen. Darüber hinaus verfügt Y2X Life Sciences, ein in New York ansässiges Unternehmen, über eine exklusive Option zur Lizenzierung der Technologie. Dieses Unternehmen hat das Forschungsteam von Beginn des Projekts an und während der Entwurfsphase des Geräts konsultiert, um eine mögliche Kommerzialisierung des Tests in der Zukunft zu erleichtern.

Ghumra DP, Nishit, S, McBrearty KR, Puthussery JV, Sumlin BJ, Gardiner W, Doherty BM, Magrecki JP, Brody DL, Esparza TJ, O'Halloran J, Presti R, Bricker TL, Boon ACM, Yuede CM, Cirrito, JR, Chakrabarty RK. Schneller Direktnachweis von SARS-CoV-2-Aerosolen in der Ausatemluft am Point-of-Care. ACS Sensors, 27. Juli 2023. https://doi.org/10.1021/acssensors.3c00512

Die Studie wurde vom RADx-Rad-Programm der National Institutes of Health (NIH) finanziert. Fördernummern U01 AA029331 und U01 AA029331-S1. Zusätzliche Finanzierung durch das National Institute of Neurological Disorders and Stroke Intramural Research Program, die Uniformed Services University of Health Sciences und das NIH SARS-CoV-2 Assessment of Viral Evolution (SAVE) Program.

Über die Washington University School of Medicine

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Jim befasst sich mit Psychiatrie und Neurowissenschaften, Schmerz- und Opioidforschung, Orthopädie, Diabetes, Fettleibigkeit, Ernährung und Altern. Zuvor arbeitete er als Reporter und Moderator bei KWMU (heute St. Louis Public Radio), und seine Geschichten aus dem Mittleren Westen wurden auch auf NPR ausgestrahlt. Er moderiert den Podcast „Show Me the Science“, der die herausragende Forschung, Ausbildung und klinische Versorgung der School of Medicine hervorhebt. Jim hat einen Bachelor-Abschluss in englischer Literatur von der University of Missouri-St. Louis. Er kam 1992 zu Medical Public Affairs.