Neuer Prototyp einer Gesichtsmaske kann Covid-19-Infektion erkennen

Die Sensoren basieren auf gefriergetrockneten zellulären Maschinen, die das Forscherteam zuvor für den Einsatz in der Papierdiagnostik für Viren wie Ebola und Zika entwickelt hat. In einer neuen Studie zeigten die Forscher, dass die Sensoren nicht nur in Gesichtsmasken, sondern auch in Kleidung wie Laborkitteln eingebaut werden können. Damit könnte eine neue Möglichkeit geschaffen werden, die Exposition von Mitarbeitern im Gesundheitswesen gegenüber einer Vielzahl von Krankheitserregern oder anderen Bedrohungen zu überwachen.

"Wir haben gezeigt, dass wir eine breite Palette von Sensoren aus der synthetischen Biologie gefriertrocknen können, um virale oder bakterielle Nukleinsäuren sowie toxische Chemikalien, einschließlich Nervengifte, zu erkennen. Wir stellen uns vor, dass diese Plattform tragbare Biosensoren der nächsten Generation für Ersthelfer, Gesundheitspersonal und Militärpersonal ermöglichen könnte", sagt James Collins, der Termeer-Professor für Medizintechnik und -wissenschaft im Institute for Medical Engineering and Science (IMES) und Department of Biological Engineering des MIT und Hauptautor der Studie.

Die Sensoren der Gesichtsmaske sind so konzipiert, dass sie vom Träger aktiviert werden können, wenn er bereit ist, den Test durchzuführen, und die Ergebnisse werden nur auf der Innenseite der Maske angezeigt, um die Privatsphäre des Benutzers zu wahren.

Peter Nguyen, Forscher am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University, und Luis Soenksen, Venture Builder an der Abdul Latif Jameel Clinic for Machine Learning in Health des MIT und ehemaliger Postdoc am Wyss Institute, sind die Hauptautoren der Studie, die heute in Nature Biotechnology erscheint.

Wearable-Sensoren

Die neuen tragbaren Sensoren und die diagnostische Gesichtsmaske basieren auf einer Technologie, die Collins vor einigen Jahren zu entwickeln begann. Im Jahr 2014 zeigte er, dass Proteine und Nukleinsäuren, die benötigt werden, um synthetische Gennetzwerke zu schaffen, die auf bestimmte Zielmoleküle reagieren, in Papier eingebettet werden können, und er nutzte diesen Ansatz, um Papierdiagnosen für die Ebola- und Zika-Viren zu schaffen. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Feng Zhang entwickelte Collins 2017 ein weiteres zellfreies Sensorsystem, bekannt als SHERLOCK, das auf CRISPR-Enzymen basiert und einen hochempfindlichen Nachweis von Nukleinsäuren ermöglicht.

Diese zellfreien Schaltkreiskomponenten sind gefriergetrocknet und bleiben viele Monate lang stabil, bis sie rehydriert werden. Wenn sie durch Wasser aktiviert werden, können sie mit ihrem Zielmolekül, das eine beliebige RNA- oder DNA-Sequenz, aber auch andere Arten von Molekülen sein kann, interagieren und ein Signal wie eine Farbänderung erzeugen.

Seit kurzem arbeiten Collins und seine Kollegen daran, diese Sensoren in Textilien einzubauen, mit dem Ziel, einen Laborkittel für medizinisches Personal oder andere Personen, die potenziell mit Krankheitserregern in Kontakt kommen, zu entwickeln.

Zunächst untersuchte Soenksen Hunderte verschiedener Stoffarten, von Baumwolle und Polyester bis hin zu Wolle und Seide, um herauszufinden, welche mit dieser Art von Sensoren kompatibel sein könnten. "Am Ende haben wir ein paar identifiziert, die in der Modeindustrie für die Herstellung von Kleidungsstücken sehr verbreitet sind", sagt er. "Diejenige, die am besten war, war eine Kombination aus Polyester und anderen synthetischen Fasern."

Um tragbare Sensoren herzustellen, betteten die Forscher ihre gefriergetrockneten Komponenten in einen kleinen Abschnitt dieses synthetischen Gewebes ein, wo sie von einem Ring aus Silikonelastomer umgeben sind. Diese Kompartimentierung verhindert, dass die Probe verdampft oder vom Sensor wegdiffundiert. Um die Technologie zu demonstrieren, erstellten die Forscher eine Jacke, in die etwa 30 dieser Sensoren eingebettet waren.

Sie zeigten, dass ein kleiner Spritzer Flüssigkeit mit Viruspartikeln, der den Kontakt mit einem infizierten Patienten imitiert, die gefriergetrockneten Zellkomponenten hydratisieren und den Sensor aktivieren kann. Die Sensoren können so konstruiert werden, dass sie verschiedene Arten von Signalen erzeugen, einschließlich einer Farbänderung, die mit dem bloßen Auge gesehen werden kann, oder ein fluoreszierendes oder lumineszierendes Signal, das mit einem Handspektrometer gelesen werden kann. Die Forscher entwarfen auch ein tragbares Spektrometer, das in den Stoff integriert werden könnte, wo es die Ergebnisse ablesen und drahtlos an ein mobiles Gerät übertragen kann.

"So erhalten Sie einen Informationsrückfluss, der Ihre Umweltexposition überwacht und Sie und andere über die Exposition und den Ort, an dem sie stattfand, informiert", sagt Nguyen.

Eine diagnostische Gesichtsmaske

Als die Forscher Anfang 2020 ihre Arbeit an den tragbaren Sensoren beendeten, begann sich Covid-19 rund um den Globus auszubreiten, so dass sie sich schnell entschlossen, ihre Technologie zu nutzen, um eine Diagnose für das SARS-CoV-2-Virus zu erstellen.

Um ihre diagnostische Gesichtsmaske herzustellen, betteten die Forscher gefriergetrocknete SHERLOCK-Sensoren in eine Papiermaske ein. Wie bei den tragbaren Sensoren sind die gefriergetrockneten Komponenten von einem Silikonelastomer umgeben. In diesem Fall befinden sich die Sensoren auf der Innenseite der Maske, so dass sie Viruspartikel in der Atemluft des Maskenträgers erkennen können.

Die Maske enthält außerdem ein kleines Wasserreservoir, das auf Knopfdruck freigegeben wird, wenn der Träger bereit ist, den Test durchzuführen. Dieses hydratisiert die gefriergetrockneten Komponenten des SARS-CoV-2-Sensors, der die angesammelten Atemtröpfchen auf der Innenseite der Maske analysiert und innerhalb von 90 Minuten ein Ergebnis liefert.

"Dieser Test ist so empfindlich wie der Goldstandard, die hochempfindlichen PCR-Tests, aber er ist so schnell wie die Antigentests, die für die schnelle Analyse von Covid-19 verwendet werden", sagt Nguyen.

Die in dieser Studie entwickelten Prototypen haben Sensoren an der Innenseite der Maske, um den Status des Benutzers zu erkennen, sowie Sensoren an der Außenseite der Kleidung, um die Belastung durch die Umgebung zu erkennen. Die Forscher können auch Sensoren für andere Krankheitserreger einbauen, darunter Influenza, Ebola und Zika, oder Sensoren, die sie zur Erkennung von Organophosphat-Nervenkampfstoffen entwickelt haben.

"Durch diese Demonstrationen haben wir im Wesentlichen die Funktionalität modernster molekularer Testeinrichtungen auf ein Format geschrumpft, das mit tragbaren Szenarien für eine Vielzahl von Anwendungen kompatibel ist", sagt Soenksen.

Die Forscher haben ein Patent auf die Technologie angemeldet und hoffen nun auf eine Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, um die Sensoren weiterzuentwickeln. Die Gesichtsmaske ist höchstwahrscheinlich die erste Anwendung, die verfügbar gemacht werden könnte, sagt Collins.

"Ich denke, die Gesichtsmaske ist wahrscheinlich am weitesten fortgeschritten und kommt einem Produkt am nächsten. Wir haben bereits eine Menge Interesse von externen Gruppen, die die Prototypen, die wir haben, gerne zu einem zugelassenen, vermarkteten Produkt weiterentwickeln würden", sagt er.

Die Forschung wurde von der Defense Threat Reduction Agency, der Paul G. Allen Frontiers Group, dem Wyss Institute, Johnson and Johnson Innovation JLABS, dem Ragon Institute von MGH, MIT und Harvard und der Patrick J. McGovern Foundation finanziert.