Schnelle Analyse von Bioaerosolen zur Ermittlung der Angriffsart
Bioterrorismus ist eine ernste und anhaltende Bedrohung. Historische Fälle wie die Anthrax-Anschläge 2001 in den Vereinigten Staaten, die zu Todesfällen und weit verbreiteter Furcht führten, zeigen die verheerenden Auswirkungen biologischer Kampfstoffe. Kürzlich sind die Sorgen durch Bedrohungen mit weißem Pulver in belgischen Regierungsstellen gewachsen, obwohl sich viele als harmlos erwiesen. Diese Ereignisse verdeutlichen, dass dringend schnelle, genaue Detektionssysteme für biologische Bedrohungen notwendig sind, mit denen echte Bedrohungen von Fehlalarmen unterschieden werden können, um unnötige Panik zu vermeiden und eine wirksame Reaktion zu ermöglichen. Im von der EU unterstützten Projekt HoloZcan wurde die Bedrohung durch biologische Angriffe geprüft und ein umfassendes Instrument zur Risikobewertung für Ersteinsatzkräfte erstellt. Dieses dient als Unterstützung beim Umgang mit größeren Ereignissen wie Angriffen auf Stadien, Industrieunfällen und Abwasserkontamination bei Naturkatastrophen. Das Team wollte auch helfen, unbekannte Pulver zu identifizieren. „HoloZcan kann wichtig für die erste Klassifikation und Quellenidentifizierung von unbekannten Pulvern sein, sei es in der Luft oder auf Oberflächen, die mit chemischen oder biologischen Kampfstoffen in Verbindung stehen könnten“, sagt Györgyi Bela, Projektkoordinatorin bei HoloZcan. Das HoloZcan-Team konnte die Innovation so weit verbessern, dass sogar ein möglicher Bakteriengehalt in Regen und Luft klassifiziert werden kann – eine wachsende Sorge aufgrund des schmelzenden Permafrosts durch den Klimawandel, durch den lange ruhende Mikroben freigesetzt werden könnten.
Beschränkungen aktueller Methoden zur Erkennung von Bioaerosolen überwinden
Die Standardmethoden zur Erkennung und Identifikation in der Mikrobiologie umfassen Sequenzierung, Bindung/Markierung und Amplifikation, die jeweils eigene Grenzen aufweisen. Für die Fluoreszenzmarkierung sind spezifische Zielmarker notwendig, sodass ungefärbte Pathogene unerkannt bleiben können. Die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und loop-mediated isothermal amplification (LAMP, eine Variante der isothermen DNA-Amplifikation) bieten hohe Sensitivität, neigen aber aufgrund von Primer-Dimer-Effekten und der Erkennung nicht lebensfähiger DNA-Rückstände zu falsch-positiven Ergebnissen. Die Sequenzierung ist höchst präzise, aber ressourcenintensiv, erfordert eine Probenvorbereitung und ist anfällig für Kontamination. Zusätzlich kann nicht erkannt werden, ob ein bestimmtes schädliches Gen aktiv exprimiert oder durch epigenetische Regulierung unterdrückt wird. Antikörperbasierte Tests beruhen auf vordefinierten Zielen, sodass sie anfällig für Kreuzreaktivitätsprobleme und unwirksam bei unbekannten Bedrohungen sind. Das HoloZcan-Projekt wurde über IDEAS Science in Ungarn organisiert, um schnelle, markierungsfreie visuelle Analysen von Bioaerosolen bereitzustellen. Anders als bei gezielten Erkennungsmethoden verfolgt das HoloZcan-Team einen agnostischen Ansatz. So ist es nicht notwendig, bestimmte Pathogene vorher zu kennen, und ideal geeignet für die Breitspektrum-Erkennung von Anomalien. Das System ist schnell und höchst empfindlich, aber nicht für die genaue Pathogenidentifizierung oder Erkennung bei geringer Dosis geeignet. Es dient stattdessen als Frühwarnsystem, indem biologische Anomalien in Echtzeit bestimmt werden, oder vor Ort für weitere Untersuchungen mit spezialisierteren Verfahren. „Es ist wichtig klarzustellen, dass HoloZcan auf mikrobielle Agenzien erkennen kann – Pilze, Bakterien, Sporen und größere Viren –, aber keine Biotoxine. Für komplexe Biochemikalien wie Ricin und Botulinumtoxin sind chemische Analysen notwendig, auf die HoloZcan nicht ausgelegt ist“, erklärt Béla Mihalik, ein leitender Innovator bei HoloZcan.
Die Reaktion Europas auf verdeckte Angriffe verbessern
Im Projekt sollten einige der Probleme adressiert werden, die im Projekt ENCIRCLE erkannt wurden. In diesem Projekt sollte die Resilienz Europas gegenüber chemischen, biologischen, radiologischen und nuklearen Angriffen und Bedrohungen gestärkt werden. Mihalik berichtet: „Wir haben unsere Methode erfolgreich in kontrollierten Umgebungen getestet. Wir haben Bakterien in der Luft freigesetzt und so das Vorhandensein hoher Konzentrationen extrinsischer Bioagenzien nachgestellt, um diese wiederholt zu erkennen. Wir haben auch Proben von Ausatemluft genommen, Viruspartikel eingefügt und deren Vorhandensein mit digitaler holographischer Mikroskopie (DHM) nachgewiesen.“ Nachdem gezeigt wurde, dass das System funktioniert, sind weitere Verbesserungen, die Integration von Bauteilen und ausführliche Feldtests notwendig, bevor das System voll einsatzfähig ist.
Schlüsselbegriffe
HoloZcan, chemisch, biologisch, radiologisch, nuklear, CBRN, Bioaerosole, Detektion, weißes Pulver, bakteriell, Bioterrorismus, biologische Angriffe, Ersteinsatzkräfte
