Neuer DNA-Nanoschalter bietet schnelle COVID-19-Erkennung

Ein neuer Virus namens SARS-CoV-2 hat einen globalen Ausbruch einer Krankheit ausgelöst, die als COVID-19 bekannt ist. In den ersten drei Jahren dieser Pandemie gab es über 600 Millionen Fälle und rund 6,7 Millionen Todesfälle. Die Pandemie hat den dringenden Bedarf an schnellen und kostengünstigen Tests für das Virus aufgezeigt, insbesondere für grosse Gruppen von Menschen und wiederholte Tests.

Die Standardmethode zur Erkennung des Virus in klinischen Proben ist RT-qPCR, die einige Stunden dauert. Allerdings kann es oft mehrere Tage dauern, bis man die Ergebnisse hat, weil spezielle Labore benötigt werden, um diese Tests zu verarbeiten. Diese Verzögerung kann dazu führen, dass Leute das Virus verbreiten, bevor sie wissen, dass sie infiziert sind. Antigentests sind eine andere Möglichkeit. Sie können Teile des Virus schneller und kostengünstiger erkennen, sind jedoch nicht so empfindlich und könnten Infektionen ein paar Tage nach Beginn der Symptome übersehen.

Zu verschiedenen Zeiten während der Pandemie hat der Bedarf an umfassenden Tests die Vorräte belastet und zu Engpässen bei den Materialien geführt, die für laborgestützte Tests benötigt werden. Das hat es schwierig gemacht, die Ausbreitung des Virus zu kontrollieren. Der Fokus hat sich darauf verlagert, neue Tests zu entwickeln, die nicht nur schnelle Ergebnisse liefern, sondern auch einfach und günstig von Nicht-Spezialisten ausserhalb von Labors verwendet werden können.

#Herausforderungen mit den aktuellen Testmethoden

Die aktuellen Testmethoden für COVID-19 haben ihre Herausforderungen. Die standardmässigen RT-qPCR-Tests sind zwar zuverlässig, benötigen jedoch viele Ressourcen und spezielle Umgebungen. Mit dem Fortschreiten der Pandemie wurde der Bedarf an schnelleren Tests klarer. Viele neue Testtypen wurden entwickelt, einige nutzen fortschrittliche Methoden wie CRISPR oder andere Amplifikationstechniken. Einige Tests verwenden Nanotechnologie zur Erkennung des Virus, wobei sie sich auf winzige Partikel und molekulare Techniken stützen.

Allerdings hängen viele dieser neuen Methoden noch von komplexen Verfahren und Materialien ab, was zu höheren Kosten und logistischen Problemen führt. Einige Methoden wurden entwickelt, um virale RNA ohne Enzyme zu erkennen, was einige dieser Probleme verringern könnte. Ein vielversprechender Ansatz beinhaltet die Verwendung von DNA-Technologie, um kleine Objekte aus DNA zu erstellen, die eine einfachere Erkennung ermöglichen.

#DNA-Nanoswitch: Ein neuer Ansatz

Der DNA-Nanoswitch basiert auf der Idee des DNA-Origami, bei dem ein langer DNA-Strang in bestimmte Formen gefaltet wird, indem kürzere Stränge verwendet werden. In diesem Fall wird ein langer DNA-Strang erstellt, der eine einfache Struktur bildet, die ihre Form ändert, wenn sie sich an eine Zielviralsequenz bindet. Diese Veränderung kann leicht mithilfe gängiger DNA-Färbemittel auf einem Gel gesehen werden, das je nach Form unterschiedliche Bewegungen zeigt.

Dieser Prozess benötigt keine komplexen Werkzeuge oder zusätzlichen Schritte und gibt ein starkes Signal zur Erkennung aufgrund der Länge der verwendeten DNA. Der Nanoswitch wurde zuvor zur Erkennung anderer RNA-Typen, Proteine und Enzyme getestet.

#Erkennung von SARS-CoV-2 RNA

Der Nanoswitch ist so konzipiert, dass er auf spezifische Teile des SARS-CoV-2-Virus reagiert. Tests haben bestätigt, dass der Nanoswitch diese viralen Fragmente erkennen kann. Eine wichtige Herausforderung war es, schnelle Ergebnisse zu erzielen, insbesondere bei niedrigen Konzentrationen des Virus.

Ursprünglich benötigten Tests bei Raumtemperatur fast zwei Stunden, um Ergebnisse zu zeigen. Durch die Zugabe von Magnesium, das dafür bekannt ist, DNA-Stränge zusammenzuhalten, verbesserten sich die Testzeiten erheblich. Darüber hinaus führte das Testen bei höheren Temperaturen zu schnelleren Ergebnissen, was die Erkennungszeiten auf weniger als zwei Minuten verringerte.

Typischerweise wird bei Virus-Tests erwartet, dass die Viruskonzentration niedriger ist als die Konzentration des Nanoswitches. Die Tests zeigten, dass die Reaktionsrate mit höheren Mengen des Nanoswitches besser wurde. Die Testbedingungen wurden optimiert, um schnellere Ergebnisse zu ermöglichen, wodurch die Zeit zur Durchführung des Gels und zur Visualisierung der Ergebnisse von fast einer Stunde auf nur wenige Minuten reduziert wurde.

#Verbesserung der Sensitivität

Um die Fähigkeit zur Erkennung des Virus zu verbessern, wurden mehr Fragmente der viralen RNA ins Visier genommen. Durch das Anvisieren mehrerer Regionen konnten die Tests mehr Signale von weniger viralen Partikeln erfassen. Dieser Ansatz ermöglichte eine empfindlichere Erkennungsmethode, die die Anzahl der Fragmente, die vom Nanoswitch erkannt werden, erweiterte.

Das Erkennungssignal nahm zu, je mehr Zielregionen einbezogen wurden, was zu besseren Gesamtergebnissen führte. Diese Methode könnte potenziell viele Ziele gleichzeitig abdecken, was angesichts der langen Länge viraler RNAS entscheidend ist.

Die Forscher entwickelten Nanoswitch-Designs, die verschiedene Bereiche des Genoms des Virus anvisieren können. Die Effektivität dieser Designs wurde gegen verschiedene Zielsequenzen getestet, wobei sich zeigte, dass das Multiswitch-Design erfolgreich die Erkennungssignale erhöhte.

#Testen der fragmentierten RNA

Um den neuen Erkennungsansatz zu testen, wurde RNA des SARS-CoV-2-Virus in kleinere Stücke zerlegt. Verschiedene Methoden zur Fragmentierung der RNA wurden untersucht, um die beste zu finden. Eine hausgemachte Lösung mit den richtigen Bedingungen stellte sich als effektiv heraus, um kleinere RNA-Stücke für die Erkennung zu erzeugen.

Sobald optimale Bedingungen etabliert waren, wurde die Fähigkeit zur Erkennung der fragmentierten RNA bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass das modifizierte Nanoswitch-System erfolgreich die RNA erkannte, was seine Flexibilität und Effektivität bestätigte. Diese Methode zeigte, dass der Erkennungsprozess zuverlässig bleibt, selbst wenn die RNA in kleinere Fragmente zerbrochen ist.

#Umgang mit Varianten

Im Laufe der Pandemie sind verschiedene Varianten des Virus aufgetaucht, die manchmal die Zuverlässigkeit der Tests verändern. Um sicherzustellen, dass die neue Erkennungsmethode auch für diese Varianten funktioniert, wurden Tests mit RNA verschiedener Stämme durchgeführt, einschliesslich des ursprünglichen Stammes und mehrerer dominanter Varianten.

Das Nanoswitch-System war in der Lage, all diese Varianten gleich gut zu erkennen, was seine Robustheit gegenüber Veränderungen in der genetischen Struktur des Virus beweist. Dies ist ein Vorteil gegenüber einigen bestehenden Methoden, die mit bestimmten Mutationen Schwierigkeiten haben.

#Verwendung klinischer Proben

Die Effektivität des DNA-Nanoswitchs wurde mit echten klinischen Proben getestet. Proben von Personen, die zuvor positiv oder negativ auf COVID-19 getestet wurden, wurden verwendet, um die Leistung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Nanoswitch-Ansatz einige positive Fälle identifizieren konnte, während er negative Fälle korrekt identifizierte.

#Fazit

Zusammenfassend bietet der DNA-Nanoswitch einen neuen Weg, um SARS-CoV-2 RNA direkt zu erkennen, ohne Enzyme zu benötigen, die teuer und komplex sein können. Diese Methode ist sensibel genug, um positive Fälle schnell zu identifizieren, und flexibel genug, um sich an neue Varianten und Krankheiten anzupassen.

Insgesamt bietet der Ansatz eine kostengünstige, schnelle Testoption, die für häufige Heimtests oder breitere öffentliche Gesundheitsüberwachung von Vorteil sein könnte. Die Einfachheit und die geringen Kosten des Nanoswitch-Systems könnten helfen, die Herausforderungen während der Pandemie zu überwinden und sein Potenzial für zukünftige diagnostische Bedürfnisse zu demonstrieren.