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28.06.2021

Einsatz synthetischer Biosensoren in Arbeitskleidung

Anlass

Sensoren finden zunehmend den Weg in unseren Alltag. In Pulsuhren, die wir zum Joggen tragen, kennt man sie schon seit Längerem. Künftig könnten sie auch vermehrt in Arbeitskleidung integriert werden und insbesondere in der Medizin Erleichterungen bieten. Ein US-amerikanisches Forscherteam um James Collins stellte am 28.06.2021 in der Fachzeitschrift „Nature Biotechnolgy” (siehe Primärquelle) in Textilien eingebettete Biosensoren vor, die zum Beispiel bakterielle oder virale Erreger nachweisen.

Die Forscher entwarfen eine Reihe von tragbaren, zellfreien Biosensoren, die mitunter die CRISPR-Technologie nutzen. So entwickelten sie einen flexiblen Silikonstreifen, der bei Rehydrierung, also beim Hinzufügen von Wasser, reagiert und je nach Sensor verschiedene biochemische Moleküle wie toxische Substanzen, aber auch genetisches Material von Viren oder Bakterien anzeigen kann. Die Autoren testeten den Streifen unter anderem mit dem Ebola-Virus, mit multiresistenten Staphylococcus aureus-Bakterien oder dem Insektizid Paraoxon. Der Silikonstreifen könne etwa in Armbändern verwendet werden, schreiben die Autoren, oder auf der Oberfläche von Kleidung, die beim Kontakt mit kontaminierten Flüssigkeitsspritzern die Gefahr mittels Fluoreszenz anzeigt. Ein Vorteil der Sensoren ist ihre Lagerfähigkeit, die allerdings in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit nicht garantiert werden kann.

Die Autoren entwickelten auch ein ähnliches Sensorsystem für SARS-CoV-2, das in eine Gesichtsmaske integriert und als diagnostische Alternative zu einem Nasen-Rachenabstrich verwenden werden kann. Aerosole der Atemluft werden in der Maske gesammelt und anschließend auf den Teststreifen übertragen.

Potenzielle Einsatzgebiete der verschiedenen Sensoren sind den Forschenden zufolge unter anderem Kriegsgebiete, in Umgebungen, in denen eine chemische oder biologische Bedrohung vermutet wird, sowie im Klinikalltag. Inwieweit der Nutzen in diesen Bereichen tatsächlich gegeben sein könnte, erläutern Experten, die das SMC für diese Studie angefragt hat.

Übersicht

     

  • PD Dr. Roman Wölfel, Oberstarzt und Leiter, Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, München
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  • Dr. Can Dincer, Nachwuchsgruppenleiter für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien und Leiter der Arbeitsgruppe „Disposable Microsystems“, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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Statements

PD Dr. Roman Wölfel

Oberstarzt und Leiter, Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, München

„Untersuchungen zur Entwicklung und Anwendung von Biosensoren sind auch eines der Forschungsfelder bei uns am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr. Wir haben dazu sogar eine eigene Forschungsgruppe etabliert. In der aktuellen Coronavirus-Pandemie konnten die Mitarbeitenden dieser Gruppe zum Beispiel zu Validationsuntersuchungen von SARS-CoV-2-Antigenschnelltests beitragen und mit ihren Daten das Paul-Ehrlich-Institut unterstützen. Der Beitrag von Peter Nguyen und Kollegen in ‚Nature Biotechnology‘ ist eine sehr interessante und visionäre Publikation mit beeindruckenden proof-of-concept Daten.“

„Für die praktische Anwendung, insbesondere im Bereich der Medizin, sehe ich allerdings noch einige Stolperfallen: Die unterschiedlichen Anwendungsbeispiele sind allesamt noch auf Niveau ,proof-of-concept' und damit eben noch ein Stück entfernt von ,real-life-application'. Die verschiedenen Nachweismethoden sind teilweise sehr anspruchsvoll und heutzutage selbst unter optimalen Laborbedingungen fehleranfällig. Ob die Nachweise bei komplexen Probenmatrizes (Vorkommen von Enzyminhibitoren, Mikroorganismen in Biofilmen oder schleimigen Substraten, die einen Zellaufschluss behindern, und so weiter). funktionieren würde, wurde durch die Autoren noch nicht getestet.“

„Die in der Publikation beschriebenen Nachweismethoden basieren durchweg auf enzymgetriebenen Reaktionen, die ein Temperaturoptimum von 37 bis 42 Grad Celsius haben. Als ,wearables' werden die Reaktionen durch Körperwärme getrieben. Sie laufen daher um einiges langsamer ab. Die Autoren machen daher auch Zeitangaben von ein bis zwei Stunden für Tests, die unter Laborbedingungen 30 bis 45 Minuten dauern.“

„Eine der von den Autoren vorgeschlagenen Anwendungen ist der Nachweis von biologischen oder chemischen Gefahrstoffen durch ,First-Responder', also Rettungsdienstpersonal, Polizei oder Feuerwehr. In einem Szenario, bei dem eine biologische oder chemische Gefahr vermutet wird, würden diese First-Responder allerdings entsprechende Schutzanzüge tragen. Die ‚wearables‘ hätten somit keinen direkten Körperkontakt mehr mit den Trägern. Damit wäre die Reaktionstemperatur stark abhängig von der Außentemperatur und vermutlich zu niedrig, um die Enzymreaktion anzutreiben.“

„Sämtliche beschriebenen wearables (mit Ausnahme der Maske) basieren auf lyophilisierten (gefriergetrocknet, ein schonendes Verfahrung zur Trocknung von Substanzen, Anm. d. Red.) Komponenten, die durch einen ,splash’ (Flüssigkeitsspritzer, Anm. d. Red.) der in Flüssigkeit vorliegenden nachzuweisenden Substanz resuspendiert werden sollen, um so die Nachweisreaktion zu starten. In der von den Autoren vorgeschlagenen Anwendung durch ,First-Responder' bei biologischer oder chemischer Gefahr ist es eher unwahrscheinlich, dass jemand mit ,einem Eimer voll Bakterienkultur überschüttet wird’. Realistischer wäre eine Kontamination durch Pulver oder kleinere Spritzer von Flüssigkeiten. Pulver würden die Nachweisreaktion allerdings überhaupt nicht auslösen, Flüssigkeitsspritzer könnten überall, aber nicht unbedingt genau auf den Detektoren landen. Auch in der ebenfalls vorgeschlagenen Anwendung zum Nachweis von Krankenhauskeimen auf Kitteln und anderen Kleidungsstücken ist es fraglich, ob eine Kontamination, zum Beispiel durch das Aushusten von Keimen eines Patienten, in ausreichender Flüssigkeitsmenge zielgenau auf den in den ‚wearables‘ verbauten Detektoren landen würde.“

„Das Anwendungsbeispiel einer Schutzmaske mit integriertem SARS-CoV-2-Nachweis ist prinzipiell ein interessantes Konzept. Der Nachweis von SARS-CoV-2 aus Atemluft wird ja inzwischen verstärkt untersucht. Die hier vorgestellte Maske ist allerdings in der Anwendung wenig praktikabel. Nach einer Tragezeit von 30 Minuten, in der Viruspartikel im Maskenfilter gesammelt werden, startet der Träger den Nachweis durch Knopfdruck, wobei ein Flüssigkeitsreservoir in der Maske geöffnet wird und damit die lyophilisierten Reaktionskomponenten resuspendiert werden. Der eigentliche Nachweis dauert dann ungefähr weitere eineinhalb Stunden, getrieben durch die warme Atemluft des Trägers, der in dieser Zeit durch eine, nun nasse (!), Maske atmen soll.“

„Für einzelne Elemente der beschriebenen ‚wearables‘ sehe ich durchaus eine Anwendung. Ich würde die ‚wearables‘ aber zunächst auf die Sammlung von kontaminiertem Material begrenzen und die eigentliche Nachweisreaktion unter standardisierten optimalen Reaktionsbedingungen im Labor oder durchaus auch im Feld laufen lassen. Beispielsweise halte ich Patches auf Krankenhauskitteln als eine Art ,biologische Dosimeter’ für möglich, die täglich im Labor ausgewertet werden. In Masken eingebaute, herausnehmbare Filterscheiben könnten im Labor oder Feld mit herkömmlichen Methoden auf SARS-CoV-2 – oder andere Erreger – untersucht werden.“

Dr. Can Dincer

Nachwuchsgruppenleiter für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien und Leiter der Arbeitsgruppe „Disposable Microsystems“, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

„In dieser Arbeit werden verschiedene Biosensorik-Ansätze mittels synthetischer Biologie (zum Beispiel, die Genscheren CRISPR/Cas-Systeme) für die Detektion von Pathogenen (Nukleinsäure-basierter Nachweis), Metaboliten und Chemikalien vorgestellt. Bei dem ersten Beispiel geht es um eine Schutzkleidung mit örtlichen Sensoren, die man gegen die Umweltkontaminationen oder die Angriffe mit biologischen Waffen einsetzen kann. Bei dem zweiten Beispiel geht es um eine Gesichtsmaske mit Biosensoren, welche für die COVID-19-Diagnostik verwendet werden kann. Solche Systeme können derzeit noch nicht die klinischen Tests ersetzen, jedoch könnten sie in Zukunft eine Alternative für eine patientennahe und kostengünstige Diagnose von verschiedenen Krankheiten sein. Nach der aktuellen Pandemie haben die Menschen sich daran gewöhnt, Masken zu tragen. Deswegen könnte man solche Systeme integriert in einer Gesichtsmaske in Zukunft für die Detektion von unterschiedlichen Krankheiten verwenden. Textilien, die gleichzeitig auch eine sensorische Funktion haben, können auch für die Diagnostik eingesetzt werden, zum Beispiel um die Körpertemperatur zu messen oder aus Schweißproben bestimmte Biomarker nachzuweisen. Dabei bietet die synthetische Biologie diverse und sehr leistungsstarke Werkzeuge.“

„Solche tragbaren Systeme haben gegenüber herkömmlicher Testung den Vorteil, dass sie kostengünstiger, schneller und genau am Patienten die notwendige Diagnose (ohne Beeinflussung ihres täglichen Lebens und fast komplett autark) ermöglichen können. Damit würden sie es uns erlauben, zum Beispiel in Pandemien einen größeren Teil der Bevölkerung einfach zu testen und damit eine Verbreitung des Virus einzudämmen – sogar zu stoppen.“

„Aber natürlich gibt es noch sehr viele Fragestellungen, die wir Wissenschaftler und Mediziner zusammen beantworten müssen, bevor solche ‚wearables‘ klinisch verwendet werden können. Zum Beispiel werden bei solchen tragbaren Systemen fast immer nicht-invasive Proben verwendet, und da stellt sich eher die Frage nach dem Analyten (Target-Molekül), also wie die Korrelation der Analyt-Konzentration zwischen den nicht-invasiven (zum Beispiel Atemgas, Speichel oder Schweiß) und Blutproben (Goldstandard) ist. In dieser Arbeit werden Schweiß und Atemgasproben für die Analyse der Nukleinsäuren, Metaboliten und Chemikalien mittels unterschiedlichen Biosensoren erfolgreich untersucht.

„Meiner Meinung nach ist insbesondere die Gesichtsmaske mit Sensoren für die COVID-19-Diagnostik sehr spannend. In Freiburg forschen wir auch an elektrochemischen Biosensoren für die Atemgasanalyse. Da wir derzeit in der Öffentlichkeit fast immer Masken tragen müssen, sehe ich die Nachweisdauer von 90 Minuten überhaupt nicht problematisch. Solche Masken können nach ein paar Systemoptimierungen (für eine einfachere Herstellung und Integration zu den herkömmlichen Gesichtsmasken) auch in naher Zukunft im Kampf gegen Pandemien eingesetzt werden. Andererseits sehe ich die Anwendung mit der Schutzkleidung eher als einen besonderen Fall der Nutzung. Da könnte es insbesondere ein Problem sein, wenn es gleichzeitig regnen würde – bevor der Tropfen mit der Kontamination die örtlich verteilten Sensoren trifft. Zudem könnte es sein, dass der Tropfen an einem Ort landet, wo sich keine Sensoren befinden. Trotzdem finde ich es aber ein sehr interessantes Beispiel, da man solche Fäden mit multi-sensorischer Funktion auch in anderen Anwendungen (zum Beispiel großflächig an Textilien) verwenden kann. Ein weiterer Vorteil wäre, dass man solche Materialien wie Fäden ziemlich schnell, einfach, kostengünstig und in großen Mengen mittels der vorhandenen Infrastruktur der Textilindustrie herstellen könnte.“

„Eine allgemeine Schwäche von tragbaren Systemen derzeit ist, dass sie nur einen einzelnen Test ermöglichen (was für COVID-19 kein Problem wäre) und somit eine kontinuierliche Überwachung von Biomarkern nicht möglich ist. Da erwarte ich in nächster Zukunft viele neue Ansätze und Technologien, die dieses Problem angehen.“

„Es gibt sehr verschiedene Formate von ‚wearables‘ wie Kontaktlinsen, Tattoos, Armbänder, Smartwatches, Smartrings, Patches und noch viele weitere. Die in dieser Arbeit vorgestellten Biosensorik-Ansätze mittels synthetischer Biologie könnten auch in die zuvor genannten Formate integriert werden, hier sieht man, wie breit die Anwendungsgebiete der vorgestellten Arbeit werden können.“

„Als aktiver Wissenschaftler in diesem Bereich finde ich insbesondere die Gesichtsmasken integriert mit Biosensoren sehr spannend, da diese auch für andere Biomarker (zum Beispiel Glukose für eine nicht-invasive Diabetes-Monitoring) eingesetzt werden können. Auch Textilien integriert mit sensorischen (oder sogar noch multi-sensorischen) Funktionen können in Zukunft eine sehr gute Alternative zu herkömmlichen Diagnostik-Methoden bieten. Jedoch stehen wir bei den ‚wearables‘ gerade ganz am Anfang. Aber ich bin zuversichtlich, dass wir in den nächsten zehn Jahren viele weitere spannende Neuigkeiten in diesem Bereich erleben werden.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

PD Dr. Roman Wölfel: „Interessenkonflikte im Zusammenhang mit der Publikation und ihren Autoren oder Inhalten habe ich keine.“

Dr. Can Dincer: „Die Arbeiten von meiner Forschungsgruppe wurden in dieser Publikation zitiert.“

Primärquelle

Collins J et al. (2021): Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection. Nature Biotechnology. DOI: 10.1038/s41587-021-00950-3.

Weitere Recherchequellen

Ates, H.C. et al. (2021): Wearable devices for the detection of COVID-19. Nature Electronics; 4: 13–14 (2021). DOI: 10.1038/s41928-020-00533-1.