Winzige Magnetkügelchen erzeugen ein optisches Signal, mit dem Krankheitserreger schnell erkannt werden könnten

Jul 07, 2023

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Das Erhalten der Ergebnisse einer Blutuntersuchung kann zwischen einem Tag und einer Woche dauern, je nachdem, worauf der Test abzielt. Das Gleiche gilt für Tests zur Wasserverschmutzung und Lebensmittelverunreinigung. Und in den meisten Fällen ist die Wartezeit auf zeitaufwändige Schritte bei der Probenverarbeitung und -analyse zurückzuführen.

Jetzt haben MIT-Ingenieure eine neue optische Signatur in einer weit verbreiteten Klasse von Magnetkügelchen identifiziert, die zur schnellen Erkennung von Verunreinigungen in verschiedenen diagnostischen Tests verwendet werden könnte. Das Team zeigte beispielsweise, dass die Signatur verwendet werden kann, um Anzeichen des Lebensmittelverunreinigungsstoffs Salmonellen zu erkennen.

Bei den sogenannten Dynabeads handelt es sich um mikroskopisch kleine Magnetkügelchen, die mit Antikörpern beschichtet werden können, die an Zielmoleküle, beispielsweise einen bestimmten Krankheitserreger, binden. Dynabeads werden typischerweise in Experimenten verwendet, bei denen sie in Lösungen gemischt werden, um interessierende Moleküle einzufangen. Von da an müssen die Wissenschaftler jedoch weitere, zeitaufwändige Schritte unternehmen, um zu bestätigen, dass die Moleküle tatsächlich vorhanden und an die Kügelchen gebunden sind.

Das MIT-Team hat einen schnelleren Weg gefunden, das Vorhandensein von Dynabead-gebundenen Krankheitserregern mithilfe der Optik, insbesondere der Raman-Spektroskopie, zu bestätigen. Diese optische Technik identifiziert bestimmte Moleküle anhand ihrer „Raman-Signatur“ oder der einzigartigen Art und Weise, wie ein Molekül Licht streut.

Die Forscher fanden heraus, dass Dynabeads eine ungewöhnlich starke Raman-Signatur haben, die leicht erkannt werden kann, ähnlich wie eine fluoreszierende Markierung. Sie fanden heraus, dass diese Signatur als „Reporter“ fungieren kann. Wird das Signal erkannt, kann es innerhalb von weniger als einer Sekunde als schnelle Bestätigung dafür dienen, dass ein Zielpathogen tatsächlich in einer bestimmten Probe vorhanden ist. Das Team arbeitet derzeit an der Entwicklung eines tragbaren Geräts zum schnellen Nachweis einer Reihe bakterieller Krankheitserreger. Die Ergebnisse werden in einer Sonderausgabe von Emerging Investigators im Journal of Raman Spectroscopy veröffentlicht.

„Diese Technik wäre in einer Situation nützlich, in der ein Arzt versucht, die Quelle einer Infektion einzugrenzen, um die Verschreibung von Antibiotika besser zu informieren, sowie für den Nachweis bekannter Krankheitserreger in Lebensmitteln und Wasser“, sagt Co-Autor der Studie Marissa McDonald, Doktorandin im Harvard-MIT-Programm für Gesundheitswissenschaften und Technologie. „Darüber hinaus hoffen wir, dass dieser Ansatz letztendlich zu einem erweiterten Zugang zu erweiterten Diagnosen in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen führen wird.“

Zu den Co-Autoren der Studie am MIT gehören der Postdoktorand Jongwan Lee; Gastwissenschaftlerin Nikiwe Mhlanga; Forschungswissenschaftler Jeon Woong Kang; Tata-Professor Rohit Karnik, der auch stellvertretender Direktor des Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab ist; und Assistenzprofessorin Loza Tadesse von der Fakultät für Maschinenbau.

Öl und Wasser

Die Suche nach erkrankten Zellen und Krankheitserregern in Flüssigkeitsproben ist eine Geduldsprobe.

„Es ist eine Art Nadel-im-Heuhaufen-Problem“, sagt Tadesse.

Die vorhandenen Mengen sind so gering, dass sie in kontrollierten Umgebungen in ausreichender Zahl gezüchtet und ihre Kulturen gefärbt und dann unter einem Mikroskop untersucht werden müssen. Der gesamte Prozess kann mehrere Tage bis zu einer Woche dauern, bis ein sicheres positives oder negatives Ergebnis erzielt wird.

Die Labore von Karnik und Tadesse haben unabhängig voneinander Techniken entwickelt, um verschiedene Teile des Krankheitserregertestprozesses zu beschleunigen und den Prozess mithilfe von Dynabeads tragbar zu machen.

Dynabeads sind im Handel erhältliche mikroskopisch kleine Perlen, die aus einem magnetischen Eisenkern und einer Polymerhülle bestehen, die mit Antikörpern beschichtet werden kann. Die Oberflächenantikörper fungieren als Haken, um bestimmte Zielmoleküle zu binden. Beim Mischen mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Fläschchen mit Blut oder Wasser, glänzen alle vorhandenen Moleküle auf den Dynabeads. Mithilfe eines Magneten können Wissenschaftler die Perlen vorsichtig auf den Boden eines Fläschchens locken und sie aus einer Lösung filtern. Karniks Labor untersucht Möglichkeiten, die Kügelchen anschließend weiter in solche zu trennen, die an ein Zielmolekül gebunden sind, und solche, die es nicht sind. „Dennoch besteht die Herausforderung darin: Woher wissen wir, dass wir das haben, wonach wir suchen?“ Sagt Tadesse.

Die Perlen selbst sind mit bloßem Auge nicht sichtbar. Hier kommt Tadesses Arbeit ins Spiel. Ihr Labor nutzt die Raman-Spektroskopie, um Krankheitserreger zu „fingerprinten“. Sie hat herausgefunden, dass verschiedene Zelltypen Licht auf einzigartige Weise streuen, was als Signatur für ihre Identifizierung verwendet werden kann.

In der neuen Arbeit des Teams stellten sie und ihre Kollegen fest, dass Dynabeads auch eine einzigartige und starke Raman-Signatur haben, die als überraschend klares Signal dienen kann.

„Wir wollten zunächst die Signaturen von Bakterien identifizieren, aber die Signatur der Dynabeads war tatsächlich sehr stark“, sagt Tadesse. „Wir haben erkannt, dass dieses Signal eine Möglichkeit sein könnte, Ihnen mitzuteilen, ob Sie diese Bakterien haben oder nicht.“

Leuchtfeuer testen

Als praktische Demonstration mischten die Forscher Dynabeads in Fläschchen mit mit Salmonellen kontaminiertem Wasser. Anschließend isolierten sie diese Perlen magnetisch auf Objektträgern und maßen die Art und Weise, wie das Licht durch die Flüssigkeit gestreut wird, wenn es Laserlicht ausgesetzt wird. Innerhalb einer halben Sekunde erkannten sie schnell die Raman-Signatur der Dynabeads – eine Bestätigung dafür, dass gebundene Dynabeads und damit Salmonellen in der Flüssigkeit vorhanden waren.

„Damit lässt sich schnell eine positive oder negative Antwort geben: Liegt ein Schadstoff vor oder nicht?“ Sagt Tadesse. „Denn schon eine Handvoll Krankheitserreger können klinische Symptome hervorrufen.“

Die neue Technik des Teams ist deutlich schneller als herkömmliche Methoden und nutzt Elemente, die in kleinere, tragbarere Formen angepasst werden könnten – ein Ziel, auf das die Forscher derzeit hinarbeiten. Der Ansatz ist zudem sehr vielseitig.

„Salmonellen sind der Proof of Concept“, sagt Tadesse. „Man könnte Dynabeads mit E. coli-Antikörpern kaufen, und das Gleiche würde passieren: Es würde sich an die Bakterien binden und wir wären in der Lage, die Dynabead-Signatur zu erkennen, weil das Signal superstark ist.“

Das Team ist besonders daran interessiert, den Test bei Erkrankungen wie Sepsis anzuwenden, bei denen die Zeit von entscheidender Bedeutung ist und bei denen Krankheitserreger, die die Erkrankung auslösen, mit herkömmlichen Labortests nicht schnell erkannt werden können.

„Es gibt viele Fälle, wie zum Beispiel bei Sepsis, in denen pathogene Zellen nicht immer auf einer Platte gezüchtet werden können“, sagt Lee, ein Mitglied von Karniks Labor. „In diesem Fall könnte unsere Technik diese Krankheitserreger schnell erkennen.“

Diese Forschung wurde teilweise vom MIT Laser Biomedical Research Center, dem National Cancer Institute und dem Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab am MIT unterstützt.

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