Entwicklung eines Echtzeit-Biosensorsystems für SARS-CoV-2 zur Verbesserung der Sicherheit des Gesundheitspersonals

Neuartige Echtzeit-Biosensorsysteme für Krankheitserreger, die sich für die Vor-Ort-Überwachung eignen, sind ein grosser Vorteil, um die Sicherheit an wichtigen Orten wie Gesundheitseinrichtungen zu gewährleisten. Solche Systeme helfen dabei, Ausbrüche und Orte mit problematischer Luftqualität zu erkennen. Die Messung von luftgetragenen SARS-CoV-2 ermöglicht ein tieferes Verständnis der Virusübertragung über die Luft und eine Bewertung des Infektionsrisikos.

Das Hauptziel war die Entwicklung eines Instruments für die Echtzeitüberwachung von SARS-CoV-2 in der Luft. Das Aerosolmessgerät und der photothermische Biosensor sollten eine Vor-Ort-Detektion ermöglichen. Ein weiteres Ziel war die Modellierung des Infektionsrisikos und ein besseres Verständnis der Dynamik des Virusaerosols. Das System sollte das Sammeln von epidemiologischen Daten unterstützen und zur Erstellung von Sicherheitsprotokollen beitragen.

Wir haben eine Biosensor-Plattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 in der Luft validiert. Das System wurde in einem Spital als Proof of Concept eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche Viruskonzentrationen in einem Spital, was darauf hindeutet, dass Masken, Belüftung und Virusausscheidung die Viruskonzentration in der Luft beeinflussen. Wir wiesen das Virus auch in Spitalgängen, in denen die Türen der Isolierzimmer geschlossen waren, nach.

Wir entnahmen täglich Proben, um die Viruskonzentration im Zeitverlauf zu überwachen. Die Ergebnisse wurden zur Echtzeitüberwachung weitergegeben. In einem Pflegeheim korrelierten erhöhte Viruskonzentrationen mit Mitarbeitenden, die später positiv getestet wurden. Dies zeigt, dass das System problematische Luftbedingungen erkennen kann.

Die Langzeitüberwachung wurde im Frühjahr 2023 in einer Spital-Cafeteria durchgeführt, wo die Daten die epidemiologische Situation widerspiegelten und zeigten, dass sich das System zur Überwachung von Infektionswellen eignet. Es zeigte sich, dass selbst in Szenarien mit geringem Risiko ein Infektionsrisiko ohne Masken besteht. Ergänzend dazu haben wir kontrollierte Laborexperimente mit einem Coronavirus-Surrogat durchgeführt. Dies lieferte wertvolle Daten für einen Vergleich.

Wir verbesserten die Einrichtung zur Luftprobenahme, indem wir Sensoren zur Überwachung von Parametern wie CO2, Luftfeuchtigkeit und Feinstaub anbrachten. Zudem untersuchten wir verschiedene Primer-Sets für SARS-CoV-2-PCR-Tests und empfahlen Sets für eine kosteneffiziente und zuverlässige Identifizierung des Virus. Schliesslich ergab eine Maskenstudie keine positiven Fälle, was eventuell auf die niedrigen Infektionsraten während des Zeitraums zurückzuführen ist.

In der Studie wurde die Biosensing-Plattform für den Nachweis von SARS-CoV-2 erfolgreich validiert. Sie zeigte unterschiedliche Viruskonzentrationen in Gesundheitseinrichtungen. Selbst in Szenarien mit geringem Risiko bestand ohne Masken ein Infektionsrisiko.

Wir haben ein Instrument zur Überwachung von SARS-CoV-2 in der Luft entwickelt und eingesetzt. Es liefert eine Frühwarnung über problematische Luftqualität und potenzielle Übertragungsorte. Die Daten können über die Notwendigkeit und Wirksamkeit von Massnahmen informieren, korrelieren mit der epidemiologischen Situation und bieten eine Alternative zu Bevölkerungstests. Dem Gesundheitswesen ermöglicht es, die Sicherheit zu verbessern und das Verständnis der Übertragung durch die Luft zu erweitern.

Entwicklung eines Echtzeit-Biosensorsystems für SARS-CoV-2 zur Verbesserung der Sicherheit des Gesundheitspersonals während der Covid-19-Pandemie

Recent results demonstrated an increased risk of COVID-19 infection among healthcare workers (HCW), particularly when access to personal protective equipment (PPE) was inadequate. During the COVID-19 pandemic, access to PPE has become complicated by a surge in worldwide demand combined with production limitations and logistical barriers. Since their introduction in hospitals in the 1990s, filtering facepiece (FFP) masks, mostly of the FFP2 type, are used by HCWs to protect themselves against bioaerosols due to tuberculosis, measles and selected respiratory viruses. The COVID-19 pandemic due to the novel SARS-CoV-2 has sparked debate around judicious and safe use of face masks for the protection of HCWs who provide direct care for COVID-19 patients. At the heart of the discussion is the question whether SARS-CoV-2 is transmitted by droplets or aerosols, or by both. While the former are large (>5µm) and fall rapidly to the ground, the latter are small (<5µm) and can stay in the air and travel much farther than the 1-2 metres normally considered a safe distance to infected patients. Today, we have little information on physical spread and infectious dose of SARS-CoV-2, and the discussion about the choice of face masks is based on indirect data. The starting hypothesis of this project is that decision-making regarding mask-wearing for HCW in the current situation of inadequate mask supply, coupled with uncertainty regarding airborne COVID-19 transmission, can be improved if direct detection of SARS-CoV-2 in aerosols can be implemented in clinical situations where aerosolisation is expected. This would be achieved by installing biosensors. Currently, the reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) technology is the most sensitive method for SARS-CoV-2 detection in respiratory secretions and it is routinely used to diagnose COVID-19. A reliable biosensing system that can detect SARS-CoV-2 rapidly, quantitatively and in real-time, supplementing RT-PCR technology would significantly help to understand SARS-CoV-2 transmission and inform recommendations for safe and practical use of PPE, and particularly face masks. In this project, we will validate a novel dual-functional, localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensor to improve detection and on-line monitoring of SARS-CoV-2 in clinical settings. The two-dimensional gold nano-islands (AuNIs), functionalized with complementary DNA, can perform sensitive detection of selected sequences from SARS-CoV-2 through nucleic acid hybridization. For better sensing performance, the plasmonic photothermal effect, generated by the same AuNIs chip, and an additional laser irradiance can elevate the local temperature and facilitate the specific discrimination of two similar gene sequences. We aim to integrate a bioaerosol sampling system with a specific biosensor, to allow continuous real-time monitoring the shedding of SARS-CoV-2 virus in droplets or aerosols, aiming to rapidly and continuously collect airborne virus with a high collection efficiency and stable microbial recovery. The collected virus can be efficiently enriched in the sampling liquid and subsequently introduced into the integrated micro-system for virus lysis and nucleic acid extraction. This system is to be tested in clinical situations and with real COVID-19 patients with the aim to understand transmission of SARS-CoV-2 in patient surroundings. In parallel, a cluster-randomised, controlled, cross-over study will evaluate the benefits of wearing surgical masks vs. FFP2 masks during COVID-19 patient care (outside aerosol-generating procedures). To date, no study has combined virus detection technology with a cluster-randomised trial to address the question of appropriate face mask usage in COVID-19 care.