12.08.2022 - Massachusetts Institute of Technology

Neuer Test kann COVID-19-Immunität vorhersagen

Papiertest misst Gehalt an neutralisierenden Antikörpern in einer Blutprobe und könnte Menschen bei der Entscheidung helfen, welche Schutzmaßnahmen sie gegen eine Infektion ergreifen sollten

Die meisten Menschen in den Vereinigten Staaten verfügen über einen gewissen Immunschutz gegen Covid-19, entweder durch Impfung, Infektion oder eine Kombination aus beidem. Aber wie hoch ist der Schutz des Einzelnen?

MIT-Forscher haben jetzt einen einfach zu handhabenden Test entwickelt, der diese Frage beantworten könnte. Ihr Test, der die gleiche Art von "Lateral Flow"-Technologie verwendet wie die meisten Antigen-Schnelltests für Covid-19, misst den Gehalt an neutralisierenden Antikörpern, die gegen das SARS-CoV-2-Virus gerichtet sind, in einer Blutprobe.

Der einfache Zugang zu dieser Art von Test könnte den Menschen dabei helfen, herauszufinden, welche Art von Vorsichtsmaßnahmen sie gegen eine Covid-Infektion ergreifen sollten, z. B. eine zusätzliche Auffrischungsimpfung, so die Forscher. Sie haben die Technologie zum Patent angemeldet und hoffen nun auf eine Partnerschaft mit einem Diagnostikunternehmen, das die Geräte herstellen und die FDA-Zulassung beantragen könnte.

"In der Allgemeinbevölkerung wollen wahrscheinlich viele Menschen wissen, wie gut sie geschützt sind", sagt Hojun Li, der Charles W. und Jennifer C. Johnson Clinical Investigator am Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT. "Aber ich denke, dass dieser Test für alle, die eine Chemotherapie erhalten, für alle, die immunsuppressive Medikamente gegen rheumatische Erkrankungen oder Autoimmunerkrankungen einnehmen, und für alle, die älter sind oder generell keine gute Immunantwort haben, den größten Unterschied machen könnte. Das sind alles Menschen, die möglicherweise früher geimpft werden oder mehr Dosen erhalten müssen, um einen ausreichenden Schutz zu erreichen.

Der Test ist so konzipiert, dass verschiedene virale Spike-Proteine ausgetauscht werden können, so dass er modifiziert werden kann, um eine Immunität gegen jede bestehende oder zukünftige Variante von SARS-CoV-2 zu erkennen, so die Forscher.

Li, der auch behandelnder Arzt am Dana-Farber/Boston Children's Cancer and Blood Disorders Center ist, ist der Hauptautor der Studie, die online in Cell Reports Methods erschien. Guinevere Connelly, eine ehemalige Forschungstechnikerin des Koch-Instituts, die jetzt an der Duke University studiert, und Orville Kirkland, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Koch-Institut, sind die Hauptautoren der Studie.

Ein einfacher Test

Li, der seit Herbst 2019 am Koch-Institut arbeitet, erforscht die Entwicklung von Blutzellen und wie Blutzellen krebsartig werden. Als SARS-CoV-2 auftauchte, begann er, über Möglichkeiten zur Bekämpfung der Pandemie nachzudenken. Viele andere Forscher arbeiteten bereits an diagnostischen Tests für die Infektion, so dass er sich auf die Entwicklung eines Tests konzentrierte, der Aufschluss darüber gibt, wie viel Immunschutz jemand gegen Covid-19 hat.

Das derzeitige Standardverfahren zur Messung der Immunität besteht darin, eine Blutprobe mit einem lebenden Virus zu mischen und zu messen, wie viele Zellen in der Probe durch das Virus abgetötet werden. Diese Prozedur ist in den meisten Labors zu gefährlich, so dass die gängigeren Ansätze nicht-infektiöse modifizierte "pseudovirale" Partikel verwenden oder auf einem Test namens ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) basieren, mit dem Antikörper nachgewiesen werden können, die ein Fragment eines viralen Proteins neutralisieren.

Diese Verfahren erfordern jedoch nach wie vor geschultes Personal, das in einem Labor mit spezieller Ausrüstung arbeitet, so dass sie für den Einsatz in einer Arztpraxis nicht geeignet sind, um sofortige Ergebnisse zu erhalten. Li wollte etwas entwickeln, das leicht von einem Gesundheitsdienstleister oder sogar von Menschen zu Hause angewendet werden kann. Er ließ sich von Schwangerschaftstests für zu Hause inspirieren, die auf einer Art von Test basieren, die als Lateral-Flow-Assay bezeichnet wird.

Lateral-Flow-Assays bestehen in der Regel aus Papierstreifen, in die Testlinien eingebettet sind, die an ein bestimmtes Zielmolekül binden, wenn es in einer Probe vorhanden ist. Diese Technologie ist auch die Grundlage der meisten Schnelltests für Covid-19 zu Hause.

Li hatte keine Erfahrung mit dieser Art von Test, also wandte er sich an zwei MIT-Fakultätsmitglieder, die sich mit der Entwicklung von Diagnosen auf der Grundlage von Lateral-Flow-Assays auskennen: Hadley Sikes, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen, und Sangeeta Bhatia, John and Dorothy Wilson Professor für Gesundheitswissenschaften und Technologie sowie für Elektrotechnik und Informatik und Mitglied des Koch-Instituts.

Mit ihrer Hilfe hat sein Labor ein Gerät entwickelt, mit dem das Vorhandensein von Antikörpern nachgewiesen werden kann, die die SARS-CoV-2-Rezeptorbindungsdomäne (RBD) daran hindern, an ACE2 zu binden, den menschlichen Rezeptor, den das Virus zur Infektion von Zellen verwendet.

Der erste Schritt des Tests besteht darin, menschliche Blutproben mit dem viralen RBD-Protein zu mischen, das mit winzigen Goldpartikeln markiert wurde, die sichtbar gemacht werden können, wenn sie an einen Papierstreifen gebunden sind. Nachdem man den Antikörpern in der Probe Zeit gegeben hat, mit dem viralen Protein zu interagieren, werden einige Tropfen der Probe auf einen Teststreifen gegeben, der mit zwei Testlinien versehen ist.

Eine dieser Linien zieht freie virale RBD-Proteine an, während die andere alle RBD anzieht, die von neutralisierenden Antikörpern eingefangen wurden. Ein starkes Signal von der zweiten Linie weist auf einen hohen Gehalt an neutralisierenden Antikörpern in der Probe hin. Außerdem gibt es eine Kontrolllinie, die freie Goldpartikel nachweist und bestätigt, dass die Lösung über den gesamten Streifen geflossen ist.

Um die für den Test benötigten Reagenzien zu entwickeln, arbeitete das Labor von Li mit den Labors von Angela Koehler, einer außerordentlichen Professorin für Bioingenieurwesen, und Michael Yaffe, einem David H. Koch-Professor für Wissenschaft, zusammen, die beide Mitglieder des Koch-Instituts sind.

Vorhersage der Immunität

Neben einer Testkassette, die den Papierteststreifen enthält, umfasst das Testkit auch eine Lanzette, mit der eine kleine Blutprobe von weniger als 10 Mikrolitern entnommen werden kann. Diese Probe wird dann mit den für den Test benötigten Reagenzien vermischt. Nach etwa 10 Minuten wird die Probe der Testkassette ausgesetzt, und die Ergebnisse werden innerhalb von 10 Minuten angezeigt.

Das Ergebnis kann auf zwei verschiedene Arten abgelesen werden: Zum einen durch einfaches Betrachten der Linien, die anzeigen, ob neutralisierende Antikörper vorhanden sind oder nicht. Oder das Gerät kann verwendet werden, um eine genauere Messung der Antikörperspiegel zu erhalten, indem eine Smartphone-App verwendet wird, die die Intensität jeder Linie messen und das Verhältnis von neutralisiertem RBD-Protein zu infektiösem RBD-Protein berechnen kann. Wenn dieses Verhältnis niedrig ist, könnte dies darauf hindeuten, dass eine weitere Auffrischungsimpfung erforderlich ist oder dass die Person zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen ergreifen sollte, um eine Infektion zu verhindern.

Die Forscher testeten ihr Gerät mit Blutproben, die im Dezember 2020 von etwa 60 Personen, die mit SARS-CoV-2 infiziert waren, und 30 Personen, die nicht infiziert waren, entnommen wurden. Sie waren in der Lage, neutralisierende Antikörper in den Proben von Personen nachzuweisen, die zuvor mit dem Virus infiziert waren, und zwar mit einer ähnlichen Genauigkeit wie bei bestehenden Labortests. Außerdem untersuchten sie 30 Serienproben von zwei Personen, bevor sie einen mRNA-Covid-19-Impfstoff erhielten und zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Impfung. Der Gehalt an neutralisierenden Antikörpern bei den geimpften Personen erreichte etwa sieben Wochen nach der ersten Dosis einen Höchststand und begann dann langsam zu sinken.

Frühere Studien zu SARS-CoV-2 und anderen Viren haben eine starke Korrelation zwischen der Menge der neutralisierenden Antikörper, die im Blutkreislauf einer Person zirkulieren, und der Wahrscheinlichkeit einer Infektion gezeigt.

Der Test könnte leicht an verschiedene Varianten von SARS-CoV-2 angepasst werden, indem man ein Reagenz einsetzt, das spezifisch für die RBD der jeweiligen Variante ist, sagt Li. Die Forscher hoffen nun auf eine Partnerschaft mit einem Diagnostikunternehmen, das die Tests in großen Mengen herstellen und die FDA-Zulassung für ihre Verwendung erhalten könnte.

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