Papier falten für die Abwasser-Analyse
Forscher entwickeln kostengünstige Origami-Papiersensoren zur Analyse von Abwasser. Mit einer Smartphone-Kamera können Infektionskrankheiten schnell identifiziert werden. Diese Erfindung könnte die öffentliche Gesundheitsvorsorge bei zukünftigen Pandemien grundlegend verändern und bietet eine effiziente Alternative zu herkömmlichen Labortests.
Gefaltet nach dem Vorbild der Origami-Kunst helfen Papierstreifen bei der Abwasseranalyse.
Foto: PantherMedia / sarmdy
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Cranfield University in Großbritannien haben eine neue Technik entwickelt, um Biomarker in Abwasser aufzuspüren. Diese Methode nutzt Origami-inspirierte Papiersensoren und ermöglicht die Verfolgung von Infektionskrankheiten mittels eines handelsüblichen Smartphones. Das neuartige Testverfahren zeichnet sich durch seine Kosteneffizienz und Schnelligkeit aus. Es birgt das Potenzial, den Umgang mit zukünftigen Pandemien im Bereich der öffentlichen Gesundheitsvorsorge grundlegend zu verändern.
Die Bedeutung der Abwasser-Analyse
Die Analyse von Abwasser hat sich als ein Schlüsselinstrument etabliert, um die Ausbreitung von Infektionskrankheiten in der Bevölkerung einzuschätzen. Expertinnen und Experten nehmen Proben aus diversen Kläranlagen landesweit und nutzen die gewonnenen Erkenntnisse, um Gebiete mit aktuell erhöhten Infektionsraten zu identifizieren.
Während der COVID-19-Pandemie fand diese Methode Anwendung, um Infektionsraten in der Gesellschaft zu überwachen und entsprechende Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu ergreifen. Professor Zhugen Yang, Experte für Biosensorik und Umweltgesundheit an der Cranfield University, leitete die Entwicklung der sogenannten Sentinel-Sensoren. Diese basieren auf seinen Forschungsarbeiten aus dem Jahr 2020, in denen er einen Test zur Detektion von SARS-CoV-2, Influenza A und Influenza B im Abwasser mittels einer papierbasierten Plattform und einer UV-Taschenlampe oder Smartphone-Kamera konzipierte.
Innovative papierbasierte Technologie revolutioniert Abwasseranalyse
Bislang galten Verfahren wie der Polymerase-Kettenreaktionstest (PCR) als präziseste Methoden zur Untersuchung von Abwasserproben. Diese mussten in zentralen Laboren von hochqualifiziertem Personal durchgeführt werden. Dafür war die Sammlung, Lagerung und den Transport der Proben in einer Kühlkette zum Laborstandort nötig, bevor die Verarbeitung beginnen konnte. Das nahm oft mehrere Tage in Anspruch und verursachte vergleichsweise hohe Kosten.
Das neu entwickelte Testverfahren zeichnet sich durch Schnelligkeit, Benutzerfreundlichkeit und Mobilität aus. Abwasserproben werden auf ein wachsbedrucktes Papierblatt aufgebracht, das origamiartig gefaltet wird. Das Papier enthält spezielle Chemikalien, die auf bestimmte Krankheitsmarker reagieren und eine fluoreszierende Färbung hervorrufen. Die Ergebnisse können mittels einer Smartphone-Kamera erfasst und die Daten umgehend ausgewertet werden.
Revolutionäre Papier-Sensoren ermöglichen schnelle Krankheitserkennung
Professor Yang entwickelte die neue Methode während des nationalen COVID-19-Abwasserüberwachungsprogramms. Im Jahr 2021, als die Pandemie ihren Höhepunkt erreichte, führte er Feldtests mit dem neuen Verfahren in vier Quarantänehotels rund um den Flughafen Heathrow (London) durch. Der gesamte Prozess von der Probenentnahme bis zum Ergebnis dauerte weniger als 90 Minuten, im Vergleich zu etwa vier Stunden bei einem PCR-Test. Die Tests wurden mit minimaler Ausrüstung im Keller eines der Hotels durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigten, dass das neue Gerät mindestens genauso präzise Resultate liefert wie der PCR-Test, jedoch deutlich günstiger. Zudem kann es als Frühwarnsystem für Krankheiten in der Gemeinschaft dienen. Aufgrund seiner einfachen Handhabung, der niedrigen Kosten und der schnellen Ergebnisse erweist sich das Gerät als besonders nützlich für Regionen mit begrenzten Ressourcen. Professor Yang erklärt: „Während der COVID-19-Pandemie haben wir bewiesen, dass eine schnelle Abwasseranalyse in der Gemeinde eine wirklich effektive Methode ist, um Infektionskrankheiten zu verfolgen und die öffentliche Gesundheit zu schützen. Der von uns entwickelte einfache Test kostet nur ein britisches Pfund und nutzt die allgemein verfügbare Kamerafunktion eines Mobiltelefons, was ihn leicht zugänglich macht. Das könnte eine echte Wende bedeuten, wenn es darum geht, Krankheitsraten vorherzusagen und die öffentliche Gesundheit angesichts zukünftiger Pandemien zu verbessern.“
Papier-Sensoren für die Suche nach Antibiotikaresistenzen
Die neuartige Vorrichtung wurde im London Science Museum ausgestellt, um seinen bedeutenden Beitrag zum Nationalen Abwasserüberwachungsprogramm während der COVID-19-Pandemie zu würdigen. Die Weiterentwicklung des Tests wird durch das Leverhulme Trust Research Leadership Scheme und einen Zuschuss des Biotechnology and Biological Sciences Research Council gefördert. In Zukunft könnte es möglicherweise zur Verfolgung neuer Viren-Varianten eingesetzt werden, um festzustellen, ob sich diese unter den Menschen ausbreiten. Darüber hinaus könnte es zur Überwachung von Antibiotikaresistenzen nützlich sein.
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