Bahnbrechender Mikrochip enthüllt, wie der Körper Viren bekämpft – in nur 90 Minuten

Ein neuer Mikrochip, der von Wissenschaftlern des Scripps Research Institute entwickelt wurde, kann anhand einer einzigen Blutprobe Aufschluss darüber geben, wie die Antikörper einer Person mit Viren interagieren. Diese Technologie liefert Forschern schnellere und klarere Erkenntnisse, die zur Beschleunigung der Impfstoffentwicklung und der Entdeckung von Antikörpern beitragen könnten.

Neuer Mikrochip bietet Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen den Antikörpern einer Person und Viren oder anderen Krankheitserregern

„Damit können wir einen schnellen Schnappschuss der Antikörper machen, während sie sich nach einer Impfung oder einer Pathogenexposition entwickeln“, sagt Andrew Ward, Professor am Department of Integrative Structural and Computational Biology bei Scripps Research und leitender Autor der neuen Studie, die in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurde. Dies war bisher in diesem Zeitrahmen und mit so geringen Blutmengen noch nie möglich. Wenn jemand mit einem Virus infiziert wird oder eine Impfung erhält, bildet sein Immunsystem neue Antikörper, um den fremden Eindringling zu erkennen. Einige Antikörper wirken gut gegen den Erreger, während andere nur schwach an ihn binden. Für Wissenschaftler, die Impfstoffe optimieren wollen, ist es entscheidend zu wissen, an welche Teile des Virus die besten Antikörper binden, da sie Impfstoffe entwickeln möchten, die eine starke und zuverlässige Immunantwort hervorrufen. „Wenn wir wissen, welche Antikörper die stärkste Abwehrreaktion gegen ein Virus auslösen, können wir neue Impfstoffe entwickeln, die diese Antikörper hervorrufen“, sagt Leigh Sewall, Doktorandin am Scripps Research Institute und Erstautorin der neuen Studie.

2018 stellte Wards Labor eine Technik namens elektronenmikroskopische polyklonale Epitopkartierung (EMPEM) vor. Mit dieser Methode konnten Wissenschaftler visualisieren, wie Antikörper in Blutproben an ein Virus binden. Obwohl bahnbrechend, hatte sie jedoch Nachteile: Die Durchführung dauerte eine ganze Woche und erforderte relativ große Mengen an Blut. „Während der COVID-19-Pandemie suchten wir dringend nach einer Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen“, erklärt Alba Torrents de la Peña, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Scripps Research, die die Arbeit mitgeleitet hat. „Wir beschlossen, etwas von Grund auf neu zu entwickeln.“

Mit dem neuen System, das als mikrofluidische EM-basierte polyklonale Epitopkartierung (mEM) bekannt ist, beginnen die Forscher mit vier Mikrolitern Blut, das einem Menschen oder Tier entnommen wird – etwa hundertmal weniger als bei der ursprünglichen EMPEM. Das Blut wird in einen winzigen, wiederverwendbaren Chip injiziert, auf dessen spezieller Oberfläche Virusproteine haften. Während das Blut durch den Chip fließt, erkennen die Antikörper diese Proteine und binden sich an sie. Anschließend werden die viralen Proteine – zusammen mit den daran gebundenen Antikörpern – vorsichtig aus dem Chip gelöst und für die Bildgebung mit einem Standard-Elektronenmikroskop vorbereitet. Der gesamte Prozess dauert nur etwa 90 Minuten.

Beschleunigung der Impfstoffentwicklung

Um den Wert und die Wirksamkeit von mEM zu testen, kartierte das Forschungsteam mit dem System Antikörper in Menschen und Mäusen, die entweder gegen ein Virus geimpft oder mit einem Virus infiziert waren, darunter Influenza, SARS-CoV-2 und HIV. Die neue Technik kartierte nicht nur schnell die Wechselwirkungen zwischen Antikörpern und diesen Viren, sondern war auch empfindlicher als EMPEM: Sie deckte neue Antikörperbindungsstellen sowohl auf Influenza- als auch auf Coronavirus-Proteinen auf, die von EMPEM nicht erkannt worden waren. Um zu verfolgen, wie sich Antikörper im Laufe der Zeit bei einzelnen Mäusen nach einer Impfung gegen einen der Erreger entwickelten, entnahm das Team einer Maus zu verschiedenen Zeitpunkten kleine Blutproben.

Das wäre in der Vergangenheit aufgrund der für EMPEM erforderlichen Blutmenge nicht möglich gewesen. Die Forscher arbeiten nun daran, das System zu automatisieren und zu multiplexen, sodass schließlich Dutzende von Proben parallel verarbeitet werden können. Letztendlich soll mEM ein weit verbreitetes Instrument zur Überwachung und Steuerung der Impfstoffentwicklung für Krankheitserreger von Coronaviren bis Malaria werden. „Diese Technologie ist laut den Forschern in jeder Situation nützlich, in der nur sehr begrenzte Probenmengen zur Verfügung stehen oder schnelle erste Ergebnisse benötigt werden. Sie hoffen, dass sie mit ihrer Vereinfachung und Optimierung für mehr Forscher zugänglich wird.