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24.10.2012

Ein Virenscanner für Biologische Viren: Neuer Sensor und Software können mobil eingesetzt werden


Für die meisten Menschen ist es nichts Neues, dass Computer virtuelle Viren aufspüren können. Computer spielen jedoch auch eine Schlüsselrolle bei der Suche nach biologischen Viren: Dank moderner Parallel-Prozessoren ist es möglich, rechenaufwändige Analyseverfahren zur Erkennung solcher Viren vor Ort mit Hilfe von tragbaren Geräten, wie etwa Laptops, durchzuführen. Ermöglicht wird dies durch eine neuartige mobile Sensor-Technologie, die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 876 an der Technischen Universität Dortmund in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) erforscht wird.

Unter anderem an Flughäfen könnte die neue Technologie genutzt werden, um die Einschleppung und weitere Ausbreitung von Viren aus Risiko-Regionen zu verhindern. "Die Information, ob eine Infektion vorliegt, ist mit unserem Verfahren unmittelbar vor Ort verfügbar", sagt Dominic Siedhoff, Diplom-Informatiker an der Technischen Universität Dortmund. Die Grundlage dafür ist ein neuer Virensensor.

Der Sensor

Der am ISAS von Dr. Alexander Zybin entwickelte PAMONO-Sensor ist mit einer reflektierenden Goldfolie beschichtet, die mit Laserlicht bestrahlt wird. Haften nanogroße Kleinstobjekte, wie etwa Pulver oder Feinstaub auf dem Sensor an, können diese indirekt nachgewiesen werden - und zwar durch die veränderten Reflexionen der Goldfolie. Wird der Sensor mit Antikörpern präpariert, werden daran anhaftende Viren auch für optische Mikroskope indirekt nachweisbar. "Direkt lassen sich Viren mit optischen Mikroskopen überhaupt nicht beobachten, da sie meistens kleiner als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts sind, was eine untere Grenze für optische Mikroskope darstellt", so Alexander Zybin. "Der PAMONO-Sensor umgeht das Problem, indem er Veränderungen in den Reflexionen der Goldfolie auf der Mikrometer-Ebene beobachtet, die durch die Viren auf der Nanometer-Ebene verursacht werden. Dieser indirekte Nachweis kann durch Methoden der optischen Mikroskopie geleistet werden."

Die Technologie im Detail

Die Brücke zwischen Mikrometer- und Nanometer-Bereich schlägt der sogenannte Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Effekt: Wird die Sensor-Oberfläche mit einem Laser beleuchtet, so sorgt dieser Effekt dafür, dass ein kleiner Bereich um jedes Virus herum mehr Licht reflektiert als virenfreie Bereiche. Obwohl ein Virus nur nanometergroß ist, ist der Bereich erhöhter Reflektivität mikrometergroß und kann deshalb als schwacher Lichtfleck im Mikroskop erkannt werden. Dies ermöglicht es, die Anhaftung selbst einzelner Viren nachzuweisen. PAMONO ist zurzeit die einzige optische Mikroskopie-Methode, die hierzu in der Lage ist. Doch das ist noch nicht alles: "Neben der Virenerkennung ließe sich das neue Verfahren auch zum Nachweis der Funktionsfähigkeit neuer Antikörper oder zur Feinstaubanalyse einsetzen", so Alexander Zybin.

TU-Forscher entwickeln smarte Algorithmen für Echtzeit-Diagnosen

Eine Gruppe von Informatikern der Technischen Universität Dortmund arbeitet an der automatischen Auswertung der Sensor-Daten. Das Ziel ihrer Forschungen besteht darin, medizinischem Fachpersonal schnelle und zuverlässige Virus-Diagnosen zu ermöglichen. Die dazu entwickelte Analyse-Software wird für tragbare Computer optimiert, um den mobilen Einsatz vor Ort zu erlauben.

Diese Forschung ist eines von zwölf Projekten im Sonderforschungsbereich 876. Prof. Katharina Morik, die Sprecherin dieses Forschungsbereichs, fasst das Leitmotiv der Projekte zusammen: "Unser Fernziel ist es, intelligente Datenanalyse in mobile Geräte einzubetten. Zum Beispiel sollen Navigationsgeräte, Mobiltelefone, Atemluftgeräte und eben Virenscanner Information aus großen Datenmengen gewinnen können."

So auch bei PAMONO: Medizinisches Fachpersonal soll in Echtzeit zuverlässige Virus-Diagnosen per Sensor und Laptop stellen können - und das trotz des Informationsberges, der bei der Untersuchung mit dem neuen Sensor entsteht. Dabei müssen die Ressourcenbeschränkungen von Laptops beachtet werden. Konkret: Durch optimale Ausnutzung der Hardware soll der Laptop-Akku lange halten, während trotzdem Ergebnisse unmittelbar, in Echtzeit, zur Verfügung stehen.

Preiswertes Verfahren

Ein Prototyp der Analyse-Software wurde bereits fertiggestellt. Er benötigt keine teure Spezial-Hardware, sondern nutzt die Möglichkeiten handelsüblicher Mehrkernprozessoren, die beispielsweise auf Grafikkarten und in Spielekonsolen verbaut werden. Mit Materialkosten von 5000 Euro ist dieser mobile, optische Virensensor deutlich günstiger als andere Methoden. Dennoch lassen sich mit ihm bereits geringe Virus-Konzentrationen mit hoher Zuverlässigkeit und ohne Verzögerung nachweisen.

Quelle: idw/Technische Universität Dortmund




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