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Malaria: Augsburger Wissenschaftler entwickeln mit australischen Kollegen neue Diagnose-Methode auf die Tropenkrankheit

"Geißel der ärmsten Länder": Physiker der Universität Augsburg haben mit Kollegen von der australischen James Cook University eine neue Diagnose-Methode auf Malaria entwickelt.

Jedes Jahr erkranken weltweit etwa 200 Millionen Menschen an der Tropenkrankheit Malaria. Dabei verlaufen circa 400.000 dieser Infektionen tödlich. Bei dem Malaria-Erreger handelt es sich aber nicht um ein Bakterium oder Viren, sondern um einen einzelligen Parasiten, der durch Mücken übertragen wird. Vor allem schnelle Diagnoseverfahren spielen bei der Bekämpfung der Krankheit eine wichtige Rolle. Physikern der Universität Augsburg ist es nun gemeinsam mit Kollegen von der australischen James Cook University sowie der Budapest University of Technology and Economics gelungen, eine neue Diagnose-Methode auf Malaria zu entwickeln.

Das neue Verfahren haben die Wissenschaftler bereits in einer Feldstudie in Papua-Neuguinea an rund 1000 Personen getestet und festgestellt, dass es ähnlich treffsicher sei wie etablierte Ansätze und zugleich sowohl kostengünstig als auch einfach in der Handhabung. Die Studie ist kürzlich im renommierten Fachjournal Nature Communications erschienen.

Diese neue Diagnose-Methode funktioniere aus Sicht der Uni Augsburg "völlig anders als die etablierten Ansätze", denn die Physiker würden eine Eigenart der Tropenkrankheit nutzen, durch die sich bestimmte physikalische Eigenschaften des Blutes ändern. "Genauer gesagt: Seine Reaktion auf Magnetfelder", erklären die Wissenschaftler.

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 - das ist das Molekül, das für den Sauerstoff-Transport von der Lunge in die Zellen verantwortlich ist. Hämoglobin enthält Eisen, das bei der „Beladung“ mit Sauerstoff oxidiert wird. Dennoch reagiert der Blutfarbstoff nicht auf Magnetfelder, sondern lässt sich durch sie ähnlich wenig beeinflussen wie Wasser.

Neues Diagnose-Verfahren: Blut wird magnetisch

„Der Malaria-Erreger ernährt sich unter anderem von Hämoglobin“, erklärt Professor István Kézsmárki vom Institut für Experimentalphysik der Universität Augsburg. „Dabei entstehen eisenhaltige Abfallstoffe, die für ihn giftig sind.“ Der Einzeller habe 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 lasse 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. Polarisiertes Laserlicht besteht aus Wellen, die alle in derselben Ebene schwingen.

„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 Forschenden haben diese Technik zudem so verfeinert, dass sie so noch winzige Hämozoin-Mengen feststellen können.

Wissenschaftler haben Verfahren in Feldstudie in Papua-Neuguinea getestet

Mit finanzieller Unterstützung durch Australiens National Health and Medical Research Council haben sie ihren Ansatz nun in einer Studie in Papua-Neuguinea an rund 1000 Personen getestet. Der Inselstaat im Südpazifik hat zusammen mit einigen afrikanischen Ländern die weltweit höchsten Malaria-Infektionsraten.

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.

Studien in weiteren Ländern sind geplant

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", erklärt der Augsburger Physiker. Weitere Studien in anderen von Malaria betroffenen Ländern seien bereits geplant. (pm/pb)

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