Forschung

Malaria-Diagnose leicht gemacht

19.02.2021 - Überraschend einfaches Verfahren nutzt polarisierten Laserstrahl zum Nachweis der Infektionskrankheit.

Physiker der Universität Augsburg haben mit Kollegen von der australischen James Cook University eine neue Diagnose-Methode auf Malaria entwickelt. In einer Feldstudie in Papua-Neuguinea haben sie das Verfahren nun an rund 1000 Personen getestet. Demnach ist es ähnlich treffsicher wie etablierte Ansätze und zugleich sowohl kosten­günstig als auch einfach in der Handhabung. Erreger der Malaria sind keine Bakterium oder Viren, sondern einzellige Parasiten, Plasmodien genannt. Sie befallen jedes Jahr rund um den Globus 200 Millionen Menschen. 400.000 dieser Infektionen verlaufen tödlich. 
 

Bei der Bekämpfung der Erkrankung spielen schnelle und empfindliche Diagnose­verfahren eine wichtige Rolle. Die Forscher der Universität Augsburg, der James Cook University und der Budapest University of Technology and Economics haben nun eine Methode vorgestellt, die völlig anders als die etablierten Ansätze funktioniert. Sie nutzen dazu eine Eigenart der Krankheit, durch die sich bestimmte physikalische Eigenschaften des Blutes ändern. Genauer gesagt: Seine Reaktion auf Magnetfelder.

Plasmodien werden durch Mücken übertragen. Der Erreger vermehrt sich zunächst in der Leber und dann in den roten Blutzellen, den Erythrozyten. Diese verdanken ihre Farbe dem Hämoglobin. Hämoglobin enthält Eisen, das für den Sauerstofftransport bei der „Beladung“ mit Sauerstoff oxidiert wird. Dennoch reagiert der Blut­farbstoff nicht auf Magnetfelder, sondern lässt sich durch sie ähnlich wenig beeinflussen wie Wasser.

„Der Malaria-Erreger ernährt sich unter anderem von Hämoglobin“, erklärt István Kézsmárki vom Institut für Experimentalphysik der Universität Augsburg. „Dabei entstehen eisen­haltige Abfallstoffe, die für ihn giftig sind.“ Der Einzeller hat jedoch eine Möglichkeit entwickelt, sie unschädlich zu machen. Dazu wandelt er sie in nadelförmige Kristallite um, das Hämozoin. „Hämozoin ist im Gegensatz zu Hämoglobin magnetisch“, sagt Kézsmárki: „Es richtet sich wie eine Kompassnadel aus, wenn man es einem Magnetfeld aussetzt.“

Diese Besonderheit lässt sich zu diagnostischen Zwecken nutzen. Das internationale Forscherteam hat dazu eine trickreiche Methode ersonnen: Sie entnehmen einem Betroffenen einige Tropfen Blut und bringen sie in ein starkes Magnetfeld. Während­dessen durchleuchten sie die Probe mit einem polarisierten Laserstrahl.

„Die Hämozoin-Nadeln zeigen normalerweise in unterschiedliche Richtungen“, erläutert Stephan Karl von der James Cook University. „Durch das Magnetfeld richten sie sich aber gemeinsam aus. Dadurch verändern sie die Polarisation des Laser­strahls – sie drehen die Ebene, in der er schwingt. Und diese Änderung können wir messen.“ Die Forscher haben diese Technik zudem so verfeinert, dass sie so noch winzige Hämozoin-Mengen detektieren können.

Mit finanzieller Unterstützung durch Australiens National Health and Medical Research Council haben sie ihren Ansatz nun in einer Studie in Papua-Neuguinea getestet. Papua-Neuguinea, ein Inselstaat im Südpazifik, hat zusammen mit einigen afrikanischen Ländern die weltweit höchsten Malaria-Infektionsraten. Die Studie wurde durch die langjährige Zusammen­arbeit des Teams mit dem Institut für Medizinische Forschung von Papua-Neuguinea ermöglicht. 

Als bestes Diagnoseverfahren auf Malaria gilt bislang die Licht­mikroskopie. Dabei wird ein Tropfen Blut auf einem Objekt­träger ausgestrichen und angefärbt. Unter dem Mikroskop lassen sich so die befallenen Blutzellen sichtbar machen. Allerdings benötigt man dafür sehr viel Expertise. Daher lässt sich die Licht­mikroskopie nur durch geschultes Personal durchführen. „Wir haben unseren Ansatz mit ihr verglichen“, erklärt Stephan Krohns vom Institut für Experimentalphysik der Universität Augsburg. „Die neue Methode erkannte 82 Prozent aller Malaria-Infektionen. Sie lässt sich zudem auch von Laien bedienen, verursacht dabei minimale Kosten und ist ausgesprochen schnell“. Allerdings schlug der Magnet-Test auch nach bereits überstandenen Infektionen Alarm, da die Kristallite einige Wochen im Blut überdauern können.

Neben der Lichtmikroskopie kommen in der Malaria-Diagnostik noch zwei weitere Methoden zum Einsatz, die auch von der Corona-Pandemie bekannt sind – PCR-Verfahren und Antigen-Schnelltests. Hinsichtlich ihrer Trefferquoten sind sie mit dem neuen Magnet-Ansatz vergleichbar. Die PCR ist aber teuer und lässt sich ebenfalls nur durch gut ausgebildete Spezialisten durchführen. Die Schnelltests hingegen sind relativ unempfindlich. 

„In der Kombination seiner Vorteile ist unser Ansatz einzigartig“, betont Kézsmárki, der das Gerät zusammen mit seiner ehemaligen Mitarbeiterin Ágnes Orbán in Budapest entwickelt hat. „Wir glauben daher, dass diese Methode uns ein Werkzeug an die Hand gibt, mit dem sich eine schlimme Geißel der weltweit ärmsten Länder noch wirksamer bekämpfen lässt. Wir planen jetzt weitere Studien in anderen von Malaria betroffenen Ländern“.

U. Augsburg / DE 
 

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