Für den Nachweis einer Covid-19-Infektion haben Wissenschaftler/innen des IMBA - Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und des Forschungsinstituts für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien eine seit rund 20 Jahren bekannte und etablierte Reaktion, die sogenannte "Loop-mediated isothermal amplification" (RT-LAMP), weiterentwickelt und verbessert. Die neue Methode ist fast genauso verlässlich wie die vorherrschenden PCR-Tests und zudem schneller, einfacher und kostengünstiger, so die Forscher/innen. Entwickelt wurde die Testmethode von Julius Brennecke, Gruppenleiter am IMBA der ÖAW, gemeinsam mit Andrea Pauli vom IMP und den drei PhD-Studenten Max Kellner, Julian Ross und Jakob Schnabl. Ihre Methode hat das Team auf dem Preprint-Server BioRxiv der Scientific Community vorgestellt. Eine neue Website stellt zudem die Testmethode und ihre Anwendung Open Access zur Verfügung.
Wie unterscheidet sich das neue Testverfahren von den herkömmlichen PCR-Tests?
Julius Brennecke: Die Methode nennt sich LAMP und ist schon 20 Jahre alt. Im Vergleich zum PCR-Test, der überall angeboten wird, liegt der Unterschied darin, dass bei LAMP alternative Enzyme für die Vervielfältigung der DNA zum Zuge kommen. Diese arbeiten bei einer konstanten Temperatur, während die PCR-Reaktion-Temperaturzyklen durchlaufen muss.
Solange wir keinen Impfstoff haben, müssen wir breitangelegte Test-Screenings machen, um das Virus in Schach zu halten.
Was heißt das genau?
Brennecke: Jeder Test, der dieses Virus momentan nachweisen möchte, beruht auf einer massiven Amplifikation, also Vervielfältigung der viralen Erbinformation. Das Virus hat als Erbinformation RNA, während alle unsere Zellen DNA als Erbinformation haben. Die Enzyme, die imstande sind Nukleinsäuren zu vervielfältigen, können das aber nur mit DNA machen. Der erste Schritt bei allen Testverfahren ist also, die virale RNA in DNA umzuwandeln.
Und was passiert anschließend?
Brennecke: Beim klassischen PCR-Test wird die DNA viele Male verdoppelt. Jeder Verdoppelungszyklus wird durch eine Temperaturerhöhung auf 95 Grad Celsius eingeleitet. In diesem Schritt werden die DNA-Stränge getrennt, damit die nächste Verdopplungsrunde stattfinden kann. Dazu braucht man ein relativ kompliziertes und teures Gerät. Die alternative Amplifikationsmethode, die wir verwenden, ist deshalb interessant, weil sie im Prinzip in der eigenen Küche angewendet werden kann: Sie brauchen dafür ein Wasserbad oder einen Inkubator mit einer konstanten Temperatur – im konkreten Fall bei 63 Grad Celsius.
Was ist die Idee hinter einer Teststrategie?
Brennecke: Solange wir keinen Impfstoff haben, müssen wir breitangelegte Test-Screenings machen, um das Virus einzudämmen oder in Schach zu halten. Ziel ist es, die symptomfreien Überträger/innen zu erwischen. Ein Patient der mit Fieber und Hustenattacken im Bett liegt, ist weniger gefährlich als der Superspreader, der hochinfektiös, aber ohne Symptome andere Menschen ansteckt – den müssen wir finden.
Unsere vereinfachten Tests würden es erlauben überall im Land kleine Teststationen einzurichten oder im Extremfall sogar den Test so weiterzuentwickeln, dass er als Home Testing angeboten werden kann.
Dazu müsste man in Österreich täglich mehrere tausend Menschen testen. Mit den herkömmlichen Methoden kostet das unglaublich viel Geld und dauert auch zu lange.
Unsere vereinfachten Tests hingegen würden es erlauben überall im Land kleine Teststationen einzurichten – oder im Extremfall sogar den Test so weiterzuentwickeln, dass er als Home Testing angeboten werden kann. Man spuckt zuhause in ein kleines Plastikröhrchen, gibt mit einer Handpipette etwas davon in ein anderes Röhrchen und erhitzt das auf 63 Grad Celsius. Mit einem zusätzlichen Farbstoff kann man das Ergebnis 30 Minuten später mit bloßem Auge ablesen.
Wie könnten diese Tests in Zukunft zum Einsatz kommen?
Brennecke: In westlichen Ländern können wir wahrscheinlich durch clevere Test-Strategien eine zweite Welle verhindern. Je einfacher der Test ist und je mehr wir davon dezentral anbieten können, desto besser. Nachdem die Testergebnisse so schnell zur Verfügung stehen, könnte man sich sogar vorstellen, dass man am Flughafen oder vor einer Kulturveranstaltung die Leute kurz testet – und dann könnten sie ins Flugzeug steigen oder wieder ins Theater gehen. Zugegeben: Das klingt visionär, aber rein technisch wäre das möglich.
Wir haben die LAMP-Methode nicht erfunden. Unsere Verbesserungen haben sie allerdings robuster und deutlich sensitiver gemacht. Mithilfe dieser empfindlicheren Tests wären jetzt auch sogenannte Pooling-Tests möglich. Dabei wird nicht jede Einzelperson getestet, sondern ein Pool von zehn oder 20 Personen. Wenn der Pool bei dieser sehr sensitiven Methode negativ ist, kann man davon ausgehen, dass kein akuter Überträger dabei war. Für eine Screening-Anwendung, wo ich tausende Menschen mit niedriger Infektionsrate testen will, ist so ein Pooling-Ansatz natürlich viel schlagkräftiger – auch weil er schneller und billiger ist.
Wann und wie ist es zur Verbesserung der LAMP-Tests gekommen?
Brennecke: Als SARS-CoV-2 sich in Europa ausbreitete, wir die Bilder aus Norditalien sahen und es zum Lockdown kam, da wollten viele Wissenschaftler/innen hier am Vienna BioCenter nicht einfach zusehen. Wir haben deshalb eine Initiative gegründet, um die Testkapazitäten mit cleveren Ansätzen in Österreich zu unterstützen. Zwar haben wir zuvor nicht an diesem konkreten Virus gearbeitet, aber das dahintersteckende Experiment, die Technologie, das ist unser täglich Brot.
Als SARS-CoV-2 sich in Europa ausbreitete, wir die Bilder aus Norditalien sahen und es zum Lockdown kam, da wollten wir als Wissenschaftler/innen nicht einfach zusehen.
Zudem hatten wir gute Kontakte zu anderen Instituten und Laboren, die an diesen alternativen Methoden arbeiten. Über Zufall haben Andrea Pauli und ich erfahren, dass Max Kellner, ein österreichischer PhD-Student, der momentan sein Doktorat in England macht, in Wien wegen des Lockdowns gestrandet war. Max hatte zuvor an diesen alternativen Nachweis-Methoden in Boston gearbeitet. Zusammen mit Julian Ross und Jakob Schnabl hat dieses Team aus drei Studenten dann innerhalb von drei Monaten diese Studie gemacht.
In welchem Entwicklungsstadium befindet sich das neue Verfahren?
Brennecke: LAMP wurde schon in diversen Feldstudien zuvor verwendet, weil es so einfach in der Anwendung ist. Technisch gesehen können wir jederzeit mit Pilotstudien beginnen – das ist auch unser Plan, sobald wir eine Zertifizierung haben.
Ihre Studie ist jetzt als Preprint erschienen. Wie geht es weiter? Bei welchen Fachjournals werden Sie einreichen?
Brennecke: Das ist ein wichtiger Punkt, den Sie ansprechen. Normalerweise gehen wir mit Preprints nicht an die breite Öffentlichkeit. Wissenschaftliche Daten müssen zunächst über ein Peer-Review-Verfahren das Gütesiegel erhalten. Deswegen bereiten wir aktuell auch die Einreichung der Arbeit in einem Fachjournal vor. Der Prozess bis zur Publikation dauert dann aber im besten Fall zwei bis drei Monate, im schlechtesten Fall ein halbes Jahr oder länger. Aufgrund der hohen Relevanz und Dringlichkeit in der derzeitigen Krisensituation haben wir uns daher entschlossen, bereits mit der Veröffentlichung auf BioRxiv die Scientific Community und auch die Öffentlichkeit über die Ergebnisse zu informieren.
