Ist es die Grippe, das Corona-Virus oder doch vielleicht RSV? In den letzten Wochen, in denen gefühlt eine Krankheitswelle die nächste jagte, war die Frage allgegenwärtig. Wenn es nach dem Werkstoffwissenschaftler Christian Mitterer ginge, wäre die Antwort darauf leicht zu finden: mit einem einfachen Atemlufttest, wie man ihn von Alkoholkontrollen der Polizei kennt. Einmal kurz blasen und das Gerät erkennt, ob sich Viren oder Bakterien in der Atemluft befinden und welche Krankheiten sie auslösen. Ein diagnostisches Werkzeug, das die Medizin revolutionieren würde – aber auch noch vor einigen kniffligen Hürden steht.
Getüftelt wird in dieser Idee seit der Pandemie: 2020 beteiligte sich ein Team der Montanuni Leoben an einer EU-weiten Ausschreibung im Kampf gegen Viren und wurde für das Konzept eines auf Atemluft basierenden Schnelltests ausgezeichnet. Man griff dabei auf die bestehende Technologie der Vibrations-Spektroskopie zurück, eine optische Nachweismethode für Proteinstrukturen mittels Laserlicht. „Der Laserstrahl regt die Molekülbindungen der Viren an, die dadurch in Schwingung geraten und so etwas von der Energie des Lasers aufnehmen. Der Energie des gestreuten Laserstrahls ändert sich damit leicht und diese Energiedifferenz lässt sich messen“, sagt Mitterer. Unterschiedliche Molekülstrukturen absorbieren unterschiedlich viel Energie vom Laserlicht, so entstehen individuelle Signale, die auf die Art des Virus schließen lassen.
Weil das aber sehr schwache Signale sind, die einander zusätzlich noch stören und überlagern können, kommt die Materialwissenschaft ins Spiel: Mitterers Team hat spezielle Filter entwickelt, die feinste Tröpfchen aus der Atemluft auffangen und für die Untersuchung mit dem Laser aufbereiten. Auf diesen Filtern sind kleinste Silberpartikel aufgebracht, nur 3-5 Nanometer groß und somit ähnlich groß wie die zu detektierenden Viren. Jetzt wird’s kompliziert: „Für unsere Zwecke ist der Abstand dieser Nanopartikel auf dem Filter wichtig, er sollte genau die Größe der Viren erreichen. Wenn das der Fall ist, dann entstehen quantenmechanische Effekte zwischen den Silberpartikeln und der Molekülstruktur des Virus, welche die vom Laser ausgelösten Schwingungen verstärken“, sagt Mitterer. Genau dieser Kunstgriff ist den Leobner Werkstoffforschern bereits gelungen.
Dazu mussten sie tief in die Trickkiste ihres Fachgebiets greifen. Schon allein die Herstellung der passenden Silberpartikel ist eine Herausforderung, die umfassendes Know-how benötigt – und die entsprechende technische Ausstattung. Beides ist an der Montanuni vorhanden: In einer Vakuumanlage hat das Forschungsteam eine kleine Platte aus Silber einem Plasma ausgesetzt und mit hochenergetischen Argon-Ionen beschossen. Durch diesen Beschuss lösen sich einzelne Silberatome von der Platte ab und treiben danach frei in der Vakuumkammer umher. Indem der Druck ganz leicht erhöht wird, finden sich die Silberatome zu kleinen Häufchen zusammen, sogenannten Clustern, die für die Beschichtung des Filters im Atemlufttestsystem benötigt werden. Mitterer: „Wir können mit Methoden der Massenspektrometrie die Größe dieser Cluster messen und nur solche herausfiltern, die für unsere Zwecke geeignet sind. Ob es dann Teilchen sind, die aus 10, 100 oder 1000 Atomen bestehen, lässt sich auch über den Druck und die Verweildauer in der Vakuumanlage steuern.“
Damit ließe sich bereits ein Prototyp des Schnelltests herstellen, für den Praxiseinsatz müssen aber noch zahlreiche Hürden überwunden werden. Schließlich finden sich in unserer Atemluft nicht nur ein isoliertes Virus oder Bakterium, sondern eine Vielzahl an unterschiedlichen Molekülen, die alle unterschiedliche Signale erzeugen. Hier sind die Werkstoffwissenschaftler auf Unterstützung aus der KI-Forschung angewiesen: Selbstlernende Systeme sollen es ermöglichen, die Signale richtig zu interpretieren und die Testmethode auf die Erkennung von Krankheitserregern zu trainieren. Auch Forscher der MedUni Graz und Boku Wien sind beteiligt. Was noch fehlt, sind Partner in der Industrie.
