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Covid-19: Wie die neuesten Testverfahren funktionieren

Schnell soll er sein, günstig und zuverlässig: Dutzende Kandidaten sind angetreten, um zum neuen Standard-Coronatest zu werden. Doch nicht alle sind gleich gut geeignet – vor allem was Massentestungen angeht.
Ein Mediziner in Schutzkleidung nimmt einen Nasenabstrich von einem Autofahrer. Ein sehr guter Grund, kein Corona-Verdachtsfall zu werden ist übrigens, dass einem bei do einem Test das Stäbchen auf kompletter Länge durch die Nase bis in den Rachen gerammt wird. Laden...

Das Timing hätte schlechter nicht sein können. Gerade als sich das Coronavirus in Thailand stärker auszubreiten begann, gaben drei Krankenhäuser vergangenen März in Bangkok bekannt, dass sie die Tests auf das Virus ausgesetzt hätten. Ihnen waren die Reagenzien ausgegangen. Auf der Suche nach erschwinglichen und einfach anzuwendenden Tests wandte sich der Systembiologe Chayasith (Tao) Uttamapinant vom Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology in Rayong an seinen alten Bekannten: Feng Zhang, Mitentdecker der Genschere CRISPR, der sich damals von der Gen-Editing-Technologie zu einem neuen Test auf das Coronavirus hatte inspirieren lassen.

Innerhalb weniger Tage erhielt Uttamapinant Starterkits aus Zhangs Labor am Broad Institute in Cambridge, Massachusetts, und testete sie an Proben aus einem Krankenhaus in Bangkok. »Die Kits sind ziemlich günstig und funktionieren gut«, sagt Uttamapinant. Er hofft, den Test bis Ende des Jahres für den klinischen Einsatz genehmigt zu bekommen. Biochemiker aus Thailand würden die nötigen Testreagenzien vor Ort herstellen und Zhang nur bei Problemen einspringen. »Unser Versuch, alles vor Ort herzustellen, wird sich bleibend darauf auswirken, wie wir in diesem Teil der Welt künftig Infektionskrankheiten überwachen und diagnostizieren«, sagt Uttamapinant.

Epidemiologen zufolge sind Massentestungen auf Sars-CoV-2 der praktikabelste Ausweg aus der Krise. Denn so können die positiv Getesteten isoliert werden, und die Ausbreitung der Krankheit kann gebremst werden. Doch es mangelt an Kapazitäten für solche Massentests. Ein Grund dafür ist, dass der Standardtest zum Nachweis von Sars-CoV-2 auf einer Labortechnik namens Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion oder RT-PCR basiert, die geschultes Personal, spezielle Chemikalien und teure Instrumente erfordert – und erst nach Stunden ein Ergebnis liefert.

Wie tödlich ist das Coronavirus? Was ist über die Fälle in Deutschland bekannt? Wie kann ich mich vor Sars-CoV-2 schützen? Diese Fragen und mehr beantworten wir in unserer FAQ. Mehr zum Thema lesen Sie auf unserer Schwerpunktseite »Ein neues Coronavirus verändert die Welt«. Die weltweite Berichterstattung von »Scientific American«, »Spektrum der Wissenschaft« und anderen internationalen Ausgaben haben wir zudem auf einer Seite zusammengefasst.

Neue Testverfahren sollen Engpass lösen

Sogar in wohlhabenden Ländern wie den Vereinigten Staaten klagen Anbieter auf Grund von Problemen in der Lieferkette über einen gravierenden Mangel an Testkits und Zubehör – von Stäbchen für den Nasenabstrich bis hin zu den erforderlichen Reagenzien. Und selbst wenn man einen zuverlässigen Test zur Verfügung hat, kann es zu Problemen kommen, wenn er in großer Zahl angewendet werden soll. So hat sich beispielsweise ein RT-PCR-Test, den die US-amerikanische Behörde Centers for Disease Control and Prevention zu Beginn der Pandemie entwickelt hatte, als unzuverlässig erwiesen.

Inzwischen sind weltweit dutzende Diagnosemethoden in der Entwicklung, die das Virus auf ganz unterschiedliche Weise nachweisen: Einige optimieren RT-PCR, um den Test schneller oder einfacher machen; andere verwenden das Gene-Editing-Tool CRISPR, um genetische Schnipsel von Sars-CoV-2 zu finden; und wiederum andere identifizieren das Virus mit Hilfe von Proteinen, die auf seiner Oberfläche sitzen.

»Je früher wir eine Lösung für Tests finden können, desto früher können wir zu einer Form der Normalität zurückkehren«(Feng Zhang)

Viele dieser Tests, wie auch der von Zhang, werden mit klinischen Studien validiert, einige befinden sich bereits in der klinischen Anwendung. Im April stellten die National Institutes of Health der USA 1,5 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung von Coronavirus-Tests zur Verfügung, mit dem Ziel, bis Ende dieses Sommers Millionen von Tests pro Woche zu ermöglichen. »Je früher wir eine Lösung finden können«, sagt Zhang, »desto früher können wir zu einer Form der Normalität zurückkehren«.

Die Grafik zeigt, welche Testverfahren es für den Nachweis von Covid-19 gibt.Laden...
Der Goldstandard

Am besten sei vermutlich ein Methodenmix, sagt Mitchell O'Connell, Biochemiker an der University of Rochester in New York. Dann nämlich würde eine weltweite Nachfrage nicht gleich wieder zu Engpässen bei einzelnen Komponenten führen. »Jede neue Technologie, die uns hilft, mehr Tests durchzuführen, ist eine gute Nachricht«, sagt er.

Das würde uns auch bei künftigen Pandemien zugutekommen: Viele der in der Entwicklung befindlichen Tests könnten sich leicht an einen neu entstehenden Erreger anpassen lassen, sobald dessen genetische Sequenz entschlüsselt ist, sagt Isabella Eckerle, Virologin an der Universität Genf. Selbst wenn es den idealen Test noch nicht gibt – es wäre einer, der sowohl genau als auch schnell, kostengünstig, einfach anzuwenden und dazu noch skalierbar ist –, »gibt es viele Dinge in der Pipeline, die nützlich sein könnten«, sagt Eckerle.

Jenseits der bisherigen Testmethode

Tests auf das Coronavirus lassen sich in zwei grobe Kategorien einteilen: Die einen weisen das genetische Material des Virus selbst nach oder detektieren Moleküle auf seiner Oberfläche. Mit ihnen kann man nachweisen, dass eine Person gerade aktiv infiziert ist. Die anderen weisen Antikörper nach und zeigen, dass jemand infiziert war und eine Immunantwort gegen das Virus entwickelt hat.

Beim derzeitigen Goldstandard, also bei der RT-PCR-Methode, besteht das Vorgehen darin, in einer Probe aus Nase oder Rachen einer Person nach charakteristischen genetischen Sequenzen von SarsS-CoV-2 zu suchen. Dabei steht man zunächst vor dem Problem, dass solche Sequenzen in extrem geringen Konzentrationen auftreten. Hier kommt RT-PCR ins Spiel. Zuerst wandelt man die Virus-RNA in DNA um. Dann gibt man kurze DNA-Sequenzen, so genannte Primer, zur Probe dazu, die unter anderem spezifische Abschnitte des viralen genetischen Codes kennzeichnen. Im nächsten Schritt werden die so markierten Abschnitte durch die Polymerasekettenreaktion (die PCR) millionenfach dupliziert. So wird selbst aus einem einzigen RNA-Molekül pro Mikroliter eine Menge, die man im finalen Schritt leicht nachweisen kann.

Auch hier spielen Primer eine maßgebliche Rolle. Sie fügen den verstärkten DNA-Strängen Markierungen hinzu, die ein fluoreszierendes Signal abgeben, das dann von einem Computer gemessen wird. Standard-RT-PCR-Tests für das Coronavirus dauern zwischen einer und vier Stunden und können bis zu 100 Prozent genau sein – obwohl die Genauigkeit jedes diagnostischen Tests als Ganzem von vielen Faktoren abhängt, unter anderem davon, wann im Verlauf der Infektion eine Probe entnommen wurde.

Beschleunigte Tests

Verschiedene Ansätze zielen darauf ab, die Zeit bis zum Erhalt eines Testergebnisses zu verkürzen, zum Beispiel durch eine verbesserte Temperatursteuerung oder Tests, die speziell auf Sars-CoV-2 zugeschnitten sind und schon binnen einer Stunde Resultate liefern – etwa die toastergroßen Geräte der US-Firmen Cepheid und Abbott. Deren Geschwindigkeit erkauft sich der Anwender allerdings durch hochpreisige Chemikalien und eine geringere Zuverlässigkeit unter manchen Einsatzbedingungen.

Andere Tests basieren auf einer Technik namens loop-mediated isothermal amplification (LAMP, zu deutsch: schleifenvermittelte isothermale Amplifikation). Der entscheidende Unterschied zur RT-PCR besteht darin, die kopierten DNA-Abschnitte zu Schleifen zu verbinden, die viel schneller als bei der Standard-PCR vervielfältigt werden können. Die Methode ist jedoch weniger genau, und es können nur einige Dutzend Proben auf einmal durchgeführt werden.

Mehrere in der Entwicklung befindliche Tests verwenden ein Set virusspezifischer Primer, die sowohl den Kopierprozess aktivieren als auch die RNA verstärken. Laden...
Die Schleife schließen

Weil dafür keine speziellen Instrumente benötigt würden, könne man sie auch in abgelegenen Gebieten und Flüchtlingslagern einsetzen, sagt Vicent Pelechano, ein Genomik-Experte am Karolinska-Institut in Stockholm, der einen LAMP-basierten Assay für Sars-CoV-2 mitentwickelt hat. »Alles, was Sie brauchen, ist ein Reagenzglas mit den Primern, eine Pipette, eine Heizplatte und einen Topf mit Wasser«, sagt er. Ein Test würde etwa einen Dollar kosten – Arbeitskräfte nicht eingerechnet.

Laut einem vorab veröffentlichten Bericht benötigten Pelechano und Kollegen im Labor lediglich 40 Minuten, um Konzentrationen von gerade einmal zehn Kopien eines Sars-CoV-2-Genoms nachzuweisen. Die Forscher testeten das Verfahren anschließend an Proben von 248 Personen mit bestätigter Coronavirus-Infektion und konnten das Virus in fast 90 Prozent der Fälle nachweisen. Pelechano räumt ein, dass sich der Test bei einigen Proben, etwa bei mit Blut kontaminierten, als weniger genau erweisen könnte.

Zu solchen Abstrichen bei der Genauigkeit wäre man in einigen Regionen der Welt durchaus bereit. In Ländern mit niedrigem Einkommen und in Kriegsgebieten gibt es nicht genügend PCR-Geräte, um den Standard-Diagnosetest durchzuführen, sagt Nabil Karah, ein klinischer Mikrobiologe an der Universität Umeå in Schweden. Karah arbeitet zusammen mit anderen Wissenschaftlern und mit dem Team von Pelechano daran, ihren LAMP-basierten Test nach Syrien zu bringen, um die Testkapazität vor Ort zu erhöhen.

Gen-Sequenzierung für Massentests

Um die Tests zu beschleunigen, hat der amerikanische Chemieingenieur Howard Salis im März einen Sequenzierungsansatz getestet, der einst das Tempo der Genomforschung revolutioniert hatte. Etwa drei Wochen später hatten Salis und sein Team aus Experten für synthetische Biologie an der Pennsylvania State University eine Möglichkeit entwickelt, um Proben von fast 20 000 Menschen in einem Durchgang zu testen.

Sie hängen dazu an jede einzelne Probe einen individuellen »molekularen Strichcode« an. Dann werden alle zusammengeführt und mit Hilfe leistungsfähiger Sequenzierapparate auf einen Schlag entziffert. Anhand der Strichcodes können die Forscher dann feststellen, welche Proben positiv sind. Andere Teams haben Einzelheiten zu ähnlichen Massentestverfahren veröffentlicht, darunter das Biotechnologie-Start-up Octant in Emeryville, Kalifornien, und Forscher des Broad Institute.

Da DNA-Sequenzierer Hunderte von Millionen von DNA-Schnipseln auf einmal auslesen können, schätzen die Forscher, dass auf Sequenzierung basierende Tests zur Analyse von bis zu 100 000 Proben in einem Durchgang verwendet werden könnten. Im Gegensatz dazu kann ein Standard-PCR-Gerät nur Dutzende oder maximal Hunderte von Proben gleichzeitig testen. Diese Sequenzierungstests benötigen jedoch Zeit – mindestens zwölf Stunden – und spezielle Geräte in zentralisierten Einrichtungen. Wer ihre Leistungsfähigkeit ausnutzen will, muss folglich Millionen von Proben an diese Einrichtungen schicken. Eine gewaltige logistische Herausforderung.

Corona-Test für zu Hause

Andere Teams setzen demgegenüber auf Tests, die schon an Ort und Stelle ein Ergebnis brigen – im Testzelt, dem Drive-Through-Zentrum oder sogar in den Wohnungen der Menschen. Mindestens zwei Teams nutzen dafür die Gen-Editing-Methode CRISPR. So haben beispielsweise Forscher unter der Leitung von Zhang einen Coronavirus-Test entwickelt, der in einem einzigen Reagenzglas in etwa einer Stunde durchgeführt werden kann. Allerdings muss die Probe dabei immer noch auf etwa 65 Grad Celsius erhitzt werden, und der Test ist nicht so empfindlich wie ein PCR-basierter Test. »Das geht aber in Ordnung, weil er viel einfacher zu verwenden ist«, sagt Zhang. Bei mehrfachen Tests an Proben von zwölf Personen, die mit dem Coronavirus infiziert waren, wurde das Virus fast immer nachgewiesen.

Der Test baut auf einem von Zhang 2017 mitentwickelten Ansatz namens SHERLOCK auf, der sich auf die Fähigkeit der CRISPR-Methode stützt, bestimmte Gensequenzen zu lokalisieren. Die Forscher programmieren ein Leitmolekül, das sich an einen bestimmten Abschnitt des Sars-CoV-2-Genoms anheftet. Wenn das Leitmolekül eine Übereinstimmung findet, erzeugt ein CRISPR-Enzym ein Signal, das entweder als fluoreszierendes Leuchten oder als dunkler Strich auf einem Papiermessstab erkannt werden kann. Am 6. Mai genehmigte die US Food and Drug Administration (FDA) einen SHERLOCK-Coronavirus-Test für den Notfall. Der Test wird von der Biotechnologie-Firma Sherlock BioSciences in Cambridge, Massachusetts (zu deren Mitbegründern Zhang gehört), durchgeführt, und das Unternehmen hat sich mit einem Hersteller zusammengetan, um die Kits in Massenproduktion zu geben.

Einige Tests, die gerade entwickelt werden, nutzen die Präzision des Gen-Editing Technik CRISPR zum Nachweis von viralem Material.Laden...
Schneiden und Erkennen

Mammoth Biosciences, ein Diagnostikunternehmen, das von der CRISPR-Pionierin Jennifer Doudna von der University of California mitbegründet wurde, strebt ebenfalls eine Genehmigung für die Notfallverwendung seines CRISPR-basierten Coronavirus-Tests an, sagt Janice Chen, Chief Technology Officer und Mitbegründerin von Mammoth. Der Test basiert auf einer früheren Studie, die zeigte, dass die Technologie humane Papillomviren nachweisen kann. Das Unternehmen mit Sitz in San Francisco versucht nun, den Test so einfach und billig zu machen, dass jeder ihn zu Hause anwenden kann, sagt Chen. »Ziel ist es letztlich, die Diagnostik direkt zu den Verbrauchern zu bringen.«

Guozhen Liu, Bioingenieur der University of New South Wales in Sydney, zufolge könnten Technologien wie CRISPR in der gegenwärtigen Pandemie »einen entscheidenden Einfluss haben«. Dank ihrer Fähigkeit, genetische Schnipsel schnell und präzise zu identifizieren, ließe sich mit ihnen »eine Nadel im Heuhaufen finden«, sagt Liu. Sie verwenden andere Reagenzien als RT-PCR-basierte Assays – was nützlich ist, wenn es an Chemikalien für Standardtests mangelt. Und sie können so konzipiert werden, dass sie parallel auch nach zahlreichen weiteren Erregern suchen.

Ein anderer Ansatz für schnellere und billigere diagnostische Tests wäre es, nach Molekülen zu suchen, die auf der Oberfläche des Virus sitzen. Ein solcher Test würde einen Antikörper enthalten, der ausschließlich an ein bestimmtes Protein oder Antigen bindet – ganz ähnlich, wie es bei Schwangerschaftstests aus der Apotheke der Fall ist. Diese Assays, die kostengünstig herzustellen und einfach durchzuführen sind, werden bereits zum Nachweis von Influenza-Infektionen eingesetzt.

»In der Testentwicklung geht es zu wie im Wilden Westen«(Catharina Boehme)

Am 8. Mai erteilte die FDA die erste Notfallzulassung für einen Coronavirus-Antigentest, der auf das Nukleokapsid-Protein auf der Virusoberfläche abzielt. Die FDA in Taiwan evaluiert derzeit einen ähnlichen Test, der innerhalb von 20 Minuten Ergebnisse liefern könnte, sagt die Bioinformatikerin An-Suei Yang von der Academia Sinica in Taipeh, die den Test entwickelt hat. Yangs Team setzte künstliche Intelligenz ein, um Antikörper zu identifizieren, die an Proteine auf der Oberfläche des Coronavirus binden könnten. Laut Yang haben Forscher den Test allerdings noch nicht an Coronavirus-Proben von infizierten Menschen getestet.

Selbst wenn ein Test im Labor gut funktioniert, steht ihm immer noch ein beschwerlicher Weg zum Masseneinsatz bevor. Die erste Herausforderung besteht darin, die Leistung zu überprüfen, denn die Qualität kann variieren. »In der Testentwicklung geht es gerade zu wie im Wilden Westen«, sagt Catharina Boehme, Geschäftsführerin der Foundation for Innovative New Diagnostics (FIND), einer gemeinnützigen Gruppe in Genf, die in Zusammenarbeit mit der Weltgesundheitsorganisation und den Genfer Universitätskliniken Hunderte von Sars-CoV-2-Testoptionen untersucht. Die meisten RT-PCR-basierten Tests, die FIND evaluiert hat, schneiden genauso gut ab wie der Goldstandard, während Antigen-Tests bisher hinter den Erwartungen zurückbleiben, sagt Boehme.

Für unrealistisch hält es Boehme darum, dass alle neuen Tests vor Ende des Jahres eingeführt werden. Nur im Einzelfall könne dies gelingen. Eines dürfe man überdies nicht vergessen, selbst während einer Pandemie nicht: dass es auch noch andere Krankheiten gibt, die diagnostiziert werden müssen. Andere Viren, die zu Atemwegssymptome führen, oder Krankheiten wie Diabetes, die die Aussichten für Menschen mit Covid-19 verschlechtern können. »Wir müssen über das reine Testen auf das Coronavirus hinausgehen«, sagt sie.

31/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 31/2020

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