Ein Leiterplatte, eine kleine Pumpe mit Schläuchen und eine Handvoll Chemikalien – das ist alles, was Jürgen Pipper vom Institut für Biotechnik und Nanotechnologie in Singapur braucht, um den Erreger der Vogelgrippe nachzuweisen: das Virus H5N1. Der Clou dabei: Der neuartige Sensor, den der Bioingenieur vom Institut für Nanotechnologie in Singapur entwickelt hat, kann die infektiösen Keime zehnmal rascher nachweisen als konkurrierende Schnelltests. Eine Art elektronisch gesteuertes Tropfenballett auf dem fingernagelgroßen Chip in der Mitte der Platine macht’s möglich.
"Alle Reaktionen finden auf dem Chip statt. Im Grunde sind sechs Tropfen vorgelegt. Der erste Tropfen enthält die Probe. Und dann werden einfach solange die Tropfen manipuliert, bis man eben beim letzten Schritt ist. Und der letzte Schritt ist eben PCR."
PCR steht für Polymerase-Kettenreaktion: ein hochgenaues Verfahren zum Nachweis verräterischer Erbgutschnipsel, bei dem winzige Mengen von Erbsubstanz in einer Flüssigkeit millionenfach kopiert werden. Bei der Vogelgrippe starten die Wissenschaftler mit etwas Hühnerkot oder – bei Menschen - mit einem Abstrich der Mundschleimhaut. Der gelösten Probe werden magnetische Nanopartikel beigemischt, die es erlauben, den zu untersuchenden Flüssigkeitstropfen mit elektrischen Strömen gezielt über die Chipoberfläche zu bugsieren. Nach und nach kommt er so in Kontakt mit den anderen Agenzien, die für den Nachweis des Virus-Erbguts nötig sind: Der mobile Flüssigkeitstropfen fungiert als Chemielabor. Mit Hilfe von Laserlicht lässt sich die Erbgut-Vervielfältigung darin live verfolgen. Nach spätestens eine halben Stunde liegt das Ergebnis vor.
"Das Erste, was sie sehen, ist: Sie sehen eine Entscheidung ja oder nein. Also ist das, was sie suchen, da oder nicht. Und zweitens gibt’s mir auch einen Rückschluss auf die Anzahl der Kopien, die ursprünglich vorlagen."
Und damit auf die Konzentration des Virus-Erbguts in der Probe, was wiederum ein Indiz für den Zeitpunkt der Ansteckung liefert. Der Tropfensensor ist zehnmal schneller und genauso empfindlich wie handelsübliche Vogelgrippe-Schnelltests. Auch die Adaption für den Nachweis anderer Keime sei kein Problem, sagt Jürgen Pipper.
"Also wir haben einige Ergebnisse mit HIV und auch mit SARS."
Das enorme Tempo der Nachweisreaktion verdanken die Forscher ihrem Mut zur Miniaturisierung. Der Flüssigkeitstropfen für die Erbgut-Vervielfältigung auf dem Sensorchip fasst gerade mal 100 Nanoliter. Da der Tropfen im Zuge der groß angelegten genetischen Kopieraktion um die 40 Mal kontrolliert aufgeheizt und wieder abgekühlt werden muss, ist das ein entscheidender Vorteil.
"Stellen sie sich vor: Sie heizen einen fünf Liter Spaghetti-Topf und brauchen wahrscheinlich zehn oder 15 Minuten auf ihrem Herd. Und jetzt gehen sie hin und nehmen einen ganz kleinen Tropfen Wasser und platzieren ihn auf der Herdplatte. Da werden sie sehen, dass innerhalb von ein paar Sekunden einfach der Tropfen verdampft. Und das ist der Effekt, den sie sehen, mit unterschiedlichen Volumina. Große Volumen, fünf Liter-Topf: Minuten. Kleine Volumina mit sehr kleinen Tropfen: Eine Sache von Sekunden."
Jürgen Pipper und seine Kollegen sind überzeugt, dass das filigrane Tropfenballett auf dem Sensorchip den Nachweis gefährlicher Keime aller Art revolutionieren könnte. Ein tragbares Analysegerät, das innerhalb einer halben Stunde verrät, ob ein Huhn oder ein Mensch mit dem Vogelgrippe-Erreger infiziert ist, wäre bei der Seuchenbekämpfung eine große Hilfe.
"Die Vision, die wir haben, ist eben, dass das direkt am Ort gemacht wird. Vielleicht einfach nur am Bett im Krankenhaus, am Unfallort oder auch – was weiß ich – irgendwo in einem abgeschiedenen Dorf in Thailand, um einfach zu sehen, ob die Hühner noch gesund sind oder nicht."
Die Singapurer Forscher haben mehrere Patente auf ihren Tropfensensor angemeldet, verschiedene Firmen ihr Interesse bekundet. Um den preiswerten Schnelltest zur Marktreife zu entwickeln, werden aber sicher noch mal fünf Jahre ins Land gehen, schätzt Jürgen Pipper. Bleibt zu hoffen, dass die nächste Vogelgrippe-Epidemie nicht früher kommt.
"Alle Reaktionen finden auf dem Chip statt. Im Grunde sind sechs Tropfen vorgelegt. Der erste Tropfen enthält die Probe. Und dann werden einfach solange die Tropfen manipuliert, bis man eben beim letzten Schritt ist. Und der letzte Schritt ist eben PCR."
PCR steht für Polymerase-Kettenreaktion: ein hochgenaues Verfahren zum Nachweis verräterischer Erbgutschnipsel, bei dem winzige Mengen von Erbsubstanz in einer Flüssigkeit millionenfach kopiert werden. Bei der Vogelgrippe starten die Wissenschaftler mit etwas Hühnerkot oder – bei Menschen - mit einem Abstrich der Mundschleimhaut. Der gelösten Probe werden magnetische Nanopartikel beigemischt, die es erlauben, den zu untersuchenden Flüssigkeitstropfen mit elektrischen Strömen gezielt über die Chipoberfläche zu bugsieren. Nach und nach kommt er so in Kontakt mit den anderen Agenzien, die für den Nachweis des Virus-Erbguts nötig sind: Der mobile Flüssigkeitstropfen fungiert als Chemielabor. Mit Hilfe von Laserlicht lässt sich die Erbgut-Vervielfältigung darin live verfolgen. Nach spätestens eine halben Stunde liegt das Ergebnis vor.
"Das Erste, was sie sehen, ist: Sie sehen eine Entscheidung ja oder nein. Also ist das, was sie suchen, da oder nicht. Und zweitens gibt’s mir auch einen Rückschluss auf die Anzahl der Kopien, die ursprünglich vorlagen."
Und damit auf die Konzentration des Virus-Erbguts in der Probe, was wiederum ein Indiz für den Zeitpunkt der Ansteckung liefert. Der Tropfensensor ist zehnmal schneller und genauso empfindlich wie handelsübliche Vogelgrippe-Schnelltests. Auch die Adaption für den Nachweis anderer Keime sei kein Problem, sagt Jürgen Pipper.
"Also wir haben einige Ergebnisse mit HIV und auch mit SARS."
Das enorme Tempo der Nachweisreaktion verdanken die Forscher ihrem Mut zur Miniaturisierung. Der Flüssigkeitstropfen für die Erbgut-Vervielfältigung auf dem Sensorchip fasst gerade mal 100 Nanoliter. Da der Tropfen im Zuge der groß angelegten genetischen Kopieraktion um die 40 Mal kontrolliert aufgeheizt und wieder abgekühlt werden muss, ist das ein entscheidender Vorteil.
"Stellen sie sich vor: Sie heizen einen fünf Liter Spaghetti-Topf und brauchen wahrscheinlich zehn oder 15 Minuten auf ihrem Herd. Und jetzt gehen sie hin und nehmen einen ganz kleinen Tropfen Wasser und platzieren ihn auf der Herdplatte. Da werden sie sehen, dass innerhalb von ein paar Sekunden einfach der Tropfen verdampft. Und das ist der Effekt, den sie sehen, mit unterschiedlichen Volumina. Große Volumen, fünf Liter-Topf: Minuten. Kleine Volumina mit sehr kleinen Tropfen: Eine Sache von Sekunden."
Jürgen Pipper und seine Kollegen sind überzeugt, dass das filigrane Tropfenballett auf dem Sensorchip den Nachweis gefährlicher Keime aller Art revolutionieren könnte. Ein tragbares Analysegerät, das innerhalb einer halben Stunde verrät, ob ein Huhn oder ein Mensch mit dem Vogelgrippe-Erreger infiziert ist, wäre bei der Seuchenbekämpfung eine große Hilfe.
"Die Vision, die wir haben, ist eben, dass das direkt am Ort gemacht wird. Vielleicht einfach nur am Bett im Krankenhaus, am Unfallort oder auch – was weiß ich – irgendwo in einem abgeschiedenen Dorf in Thailand, um einfach zu sehen, ob die Hühner noch gesund sind oder nicht."
Die Singapurer Forscher haben mehrere Patente auf ihren Tropfensensor angemeldet, verschiedene Firmen ihr Interesse bekundet. Um den preiswerten Schnelltest zur Marktreife zu entwickeln, werden aber sicher noch mal fünf Jahre ins Land gehen, schätzt Jürgen Pipper. Bleibt zu hoffen, dass die nächste Vogelgrippe-Epidemie nicht früher kommt.