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Verbesserte PCR-Grippe-Diagnostik für die Pandemie-Reaktion: Interview mit Chris Hole von TTP

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TTP, ein Technologieunternehmen mit Sitz in Melbourn, Großbritannien, entwickelt ein tragbares PCR-Diagnosegerät (Polymerase-Kettenreaktion), das Grippeviren und eines Tages auch andere Viren in Nasenschleimproben schnell nachweisen kann

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Das Unternehmen behauptet, dass das System, das eine Hochgeschwindigkeitsversion der traditionellen RT-PCR (Reverse Transkriptionspolymerase-Kettenreaktion) verwendet, mehrere Durchbrüche enthält, die im Vergleich zu den bestehenden molekularen Diagnosesystemen zu einer verbesserten Geschwindigkeit, Kosten und Größe führen. Eine solche Technologie könnte bei der Bereitstellung von Diagnose- und Überwachungsmöglichkeiten für Ausbrüche von Infektionskrankheiten wie der aktuellen Coronavirus-Situation in China von entscheidender Bedeutung sein.

Das Unternehmen warnt davor, dass es ein Produkt nicht rechtzeitig auf den Markt bringen kann, um beim aktuellen Ausbruch von 2019-nCoV zu helfen, glaubt aber, dass seine schnelle, kostengünstige Testtechnologie an Docks, Grenzübergängen und Flughäfen nützlich sein wird, um diejenigen zu finden, die zwar infektiös sind, aber noch keine Symptome zeigen. Dies würde es denjenigen, die wirklich frei von dem Virus sind, ermöglichen, normal zu reisen, während die Infizierten schnell isoliert und behandelt werden können.

Der Ausbruch des Coronavirus hat zahlreiche Menschenleben gefordert und zur Abriegelung ganzer Städte in China geführt, was enorme soziale und finanzielle Kosten verursacht hat. Gegenwärtig werden Proben von verdächtigen Patienten an Diagnoselabors geschickt, und es ist schwierig, zeitnahe Ergebnisse zu erhalten, da Tausende von Patientenproben darauf warten, getestet zu werden. Solche Verzögerungen haben erhebliche Folgen für die Gesundheitsdienste und die Patienten, denn für Menschen, die nicht mit dem Virus infiziert sind, muss möglicherweise eine Quarantäne verhängt werden.

Schnelle, genaue und tragbare diagnostische Tests ermöglichen es, Menschen schnell und am Ort der Behandlung zu untersuchen, was den Behörden helfen würde, einen Ausbruch einzudämmen und sich nur auf die Infizierten und Ansteckenden zu konzentrieren. Dies könnte den Einsatz von kostspieligen "Isolationskapseln" reduzieren, die ein Merkmal der Pandemie-Bereitschaftsstrategien vieler Länder sind.

Das neueste Gerät von TTP könnte ein solches Bedürfnis erfüllen, zumindest für zukünftige Ausbrüche. Das Unternehmen behauptet, dass die Herstellung des drahtlosen Geräts weniger als 100 Dollar kosten wird, dass es für jeden Test Verbrauchsmaterialien im Wert von unter 5 Dollar verwenden wird und dass es weniger als fünf Minuten dauert, um ein Ergebnis zu liefern. Das Unternehmen, das als Plattformtechnologie in Rechnung gestellt wird, führt als weitere Krankheiten, bei denen das Gerät bei der schnellen Diagnose helfen könnte, folgende an: saisonale Grippe, Zika- und Denguefieber, Masern und auch das Respiratory Syncytial Virus (RSV). Mit Änderungen am Design des Lesegeräts könnte das Hochgeschwindigkeitssystem auch bestimmte Geschlechtskrankheiten (einschließlich HIV) und Ebola erkennen.

Medgadget hatte die Gelegenheit, mit Chris Hole, dem kommerziellen Direktor von TTP, über diese Technologie zu sprechen.

Conn Hastings, Medgadget: Bitte geben Sie uns einige Hintergrundinformationen über Grippepandemien und die Herausforderungen bei ihrer Eindämmung.

Chris Hole: Grippepandemien sowie die jüngsten SARS- und MERS-Viren und die aktuellen Coronavirus-Ausbrüche werden durch Atemwegsviren verursacht, die sich also hauptsächlich durch Viren in der Atemluft, durch Husten und Niesen verbreiten. Häufig gibt es auch einen Übertragungsweg über allgemein übliche Gegenstände wie Türgriffe, Telefone usw. und die anschließende Berührung des Mundes oder der Augen mit der kontaminierten Hand. Ausbrüche dieser Art beginnen in der Regel als zufällige Mutation eines Tiervirus, die es ihm ermöglicht, über Arten zu springen und Menschen zu infizieren. Wo Menschen in der Nähe von Tieren leben oder arbeiten, kann dieser Sprung viele Male geschehen, bevor die Symptome beim Menschen offensichtlich werden und die Saat eines bedeutenden Ausbruchs gesät wird.

Die schweren Krankheitsausbrüche der Neuzeit sind in der Regel Atemwegserkrankungen, weil ihre Verbreitung über einen Prozess erfolgt, den wir nicht leicht verhindern können. Die Pandemien, die in die Geschichte eingegangen sind, wie Pest und Cholera, wurden durch den Ratten/Floh-Kreislauf und kontaminiertes Wasser verbreitet, die der moderne Lebensstil verhindert, aber das moderne Leben erfordert immer noch, dass die Menschen in unmittelbarer Nähe und in geschlossenen Räumen leben; und dadurch werden Atemwegsviren gut verbreitet.

Zu allem Überfluss treffen wir in der Regel in einer Woche und über ein viel größeres Gebiet als vor 100 Jahren auf viel mehr Menschen, so dass sich eine Infektionskrankheit viel schneller ausbreiten kann als beispielsweise die Grippepandemie von 1918. Trotzdem wird davon ausgegangen, dass die Pandemie von 1918 mehr Menschen getötet hat als der Erste Weltkrieg, so dass das Schadenspotenzial einer neuen Pandemie heute hoch ist. Das Verbindungsproblem ist der Grund für die starke Konzentration auf die Verhinderung der Bewegung von Menschen aus einem infizierten Gebiet, wie wir es in Wuhan mit 2019-nCov gesehen haben. Das ist wirksam, aber solche Einschränkungen sind in großem Maßstab nur schwer über mehr als ein paar Tage aufrechtzuerhalten. Außerdem wird es bereits eine Zeit der unkontrollierten Ausbreitung durch Menschen gegeben haben, die zwar infiziert sind, aber in der Zeit, bevor eine Infektion als ein großes Problem erkannt wird, keine Symptome zeigen. Diese Faktoren machen es unmöglich, signifikante Ausbrüche neuer Krankheiten zu verhindern, und es ist schwierig, Pandemien zu verhindern, wenn sich das Virus als leicht zwischen Menschen übertragbar erweist. Heute sind Bewegungseinschränkungen in Verbindung mit Hand- und Mundhygiene die wichtigsten Reaktionen in erster Linie, und die Arbeiten an der Behandlung und Impfstoffentwicklung folgen in einem Zeitrahmen von Wochen oder Monaten. Der Einsatz von diagnostischen Tests an Personen, die nicht bereits relevante Symptome aufweisen, ist immer noch nicht üblich, was vor allem auf eine Kombination aus Kosten und logistischen Schwierigkeiten zurückzuführen ist, die mit der derzeitigen Technologie verbunden sind.

Medgadget: Wie würde eine schnelle und vor Ort verfügbare Diagnosetechnologie den Behörden helfen, mit solchen Pandemien umzugehen?

Chris Hole: Wir glauben, dass es zwei Möglichkeiten gibt.

Die erste befindet sich in den sehr frühen Stadien einer Pandemie, in denen wenig über das neu mutierte Virus bekannt ist. Zwei Parameter sind entscheidend für die Vorhersage, ob das Virus eine Pandemie auslöst oder auf natürlichem Wege aussterben wird; dies ist die Frage, wie leicht es zwischen Menschen übertragen wird und wie lange die Inkubationszeit ist. Um diese Parameter zu bestimmen, muss man die Zahl der Menschen kennen, die zwar infiziert sind, aber keine Symptome zeigen, weil diese Menschen andere in der Bevölkerung in einem groben Verhältnis zur Zahl derer dem Virus aussetzen. Ein Virus, das nicht leicht zwischen Menschen übertragen werden kann, bei dem aber viele infizierte Personen in der Bevölkerung versteckt sind, wird die gleiche Anzahl neuer sichtbarer Infektionen hervorrufen wie ein Virus, das hoch ansteckend ist, bei dem aber nur wenige Menschen bereits infiziert sind. Letzteres ist jedoch viel gefährlicher, da die Zahl der versteckten Infektionen mit der Ausbreitung des ansteckenden Virus schnell ansteigen wird. Nur ein weit verbreiteter, kostengünstiger Test für asymptomatische Menschen kann diese Daten schnell liefern.

Die zweite ist die Eindämmung. In großen Städten strenge Einschränkungen der Bewegungsfreiheit für alle zu verhängen, um eine Ausbreitung zu verhindern, ist schwierig, über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Eine kostengünstige Vor-Ort-Diagnose könnte im Prinzip jeden Reisewilligen testen und so die große Mehrheit der nicht infizierten Menschen zur Weiterreise freilassen. Diejenigen, die sich als Überträger herausgestellt haben, könnten isoliert und frühzeitig behandelt werden; die Isolierung verringert die Ausbreitung der Krankheit, und eine frühe Behandlung verringert in der Regel die Schwere der Symptome.

Medgadget: Bitte geben Sie uns einen Überblick über diese Technologie zur Grippe-Diagnose. Wie funktioniert sie?

Chris Hole: Die Biochemie ist absichtlich nahe an der normalen RT-PCR, nur neu optimiert, um mit hoher Geschwindigkeit zu laufen. Die Kerninnovationen liegen in der Hardware des Gerätes und der Verbrauchsmaterialien, die zusammenwirken, um eine dramatische Reduzierung von Leistung, Größe und Kosten zu erreichen. Die Größe, Kosten und der Leistungsbedarf von PCR-Geräten wurde schon immer von der Forderung nach thermischen Zyklen und optischem Zugriff auf die Probe dominiert, was durch die Anforderungen des thermischen Designs noch verschärft wird. Unsere Kerninnovation bestand darin, das thermische und mechanische Design der Lyse- und Thermocycling-Prozesse radikal zu verändern und verschiedene Design-Änderungen zu nutzen, die dann später im vollautomatischen Arbeitsablauf möglich werden.

Medgadget: Wie unterscheidet sich das Gerät von anderen ähnlichen Technologien?

Chris Hole: Krankheitsdiagnosesysteme können in zwei große Kategorien unterteilt werden. Die erste Gruppe erkennt die Immunantwort des Körpers auf einen Erreger (sogenannte Immundiagnostik) und die zweite Gruppe erkennt den Erreger direkt, indem sie ihn aufbricht und eine kurze Sequenz seines genetischen Materials für den späteren Nachweis amplifiziert. Es handelt sich um die so genannte molekulare Diagnostik. Immundiagnostika gibt es schon lange, aber sie sind nicht wirklich empfindlich genug, um für die Pandemieantwort des Atemwegsvirus nützlich zu sein, weil sie zu viele Infizierte übersehen. Im Gegensatz dazu ist die molekulare Diagnostik sehr empfindlich, da sie fast keine infizierten Personen vermisst, aber bisher war sie viel zu sperrig und teuer, um an Flughäfen oder Bahnhöfen zu ermitteln, wer sicher reisen kann. Was wir geändert haben, ist das Kosten/Geschwindigkeit/Größen-Paradigma.

Medgadget: Welche Krankheiten wird das Gerät diagnostizieren können? Wird ein Gerät in der Lage sein, mehrere Krankheiten zu erkennen, oder werden für jede Krankheit individuelle Modelle verwendet?

Chris Hole: Dieses sehr preiswerte Gerät ist auf Atemwegsviren in oralen und nasalen Flüssigkeiten ausgerichtet. Wir arbeiten zunächst an der Grippe, aber wir erwarten, dass es bei RSV, Dengue-Fieber, Zika-Virus und den neuen Arten von Sprungviren wie MERS, SARS und 2019-nCoV (dem derzeitigen Coronavirus) gut funktionieren wird. All diese Krankheiten könnten mit demselben Lesegerät erkannt werden, wobei nur die Primer im Verbrauchsmaterial gewechselt werden müssten, so dass die Erkennung neuer Krankheiten sehr schnell eingeführt werden könnte. Die Primer sind eines der Reagenzien in der Flüssigkeit des Verbrauchsmaterials.

Einige der Innovationen, die wir zur Kosten- und Größenreduzierung einsetzen, wirken sich nicht auf robustere Krankheitserreger oder komplexere Proben wie Blut aus, so dass wir uns eng auf Atemwegsviren und auf den Einsatz in ressourcenbeschränkten Bereichen wie Arztpraxen und Apotheken konzentrieren.

Medgadget: Wann wird das Gerät verfügbar sein? Sehen Sie sie als nützlich für den aktuellen Coronavirus-Ausbruch an?

Chris Hole: Es ist für uns eine große Frustration, dass wir nicht in der Lage sein werden, Geräte schnell genug in den Einsatz zu bringen, um bei der aktuellen Coronavirus-Krise zu helfen. Wir konzentrieren uns darauf, dass diese Geräte für die Erkennung von Influenza und RSV in Routineumgebungen der Primärversorgung wie Arztpraxen und Apotheken zugelassen werden, so dass ein Netzwerk von Geräten, die sich bereits in den Händen von geschultem Fachpersonal befinden, für den nächsten Sprung eines Atemwegsvirus über die Spezies bereit ist.

Was den Zeitrahmen betrifft, so ist die Grippe saisonal bedingt, was unsere Entwicklungs- und Testzeiten bestimmt. Daher wird es Mitte 2022 sein, bevor wir ein zugelassenes Produkt auf dem Markt haben, aber sobald wir die behördliche Genehmigung haben, kann die Produktion schnell anlaufen. Dies liegt daran, dass das System nur Teile, Materialien und Fertigungstechniken aus der Massenproduktion der Unterhaltungselektronikindustrie verwendet, die bereits in großem Maßstab und mit kurzen Anlaufzeiten arbeitet.