PCR-Tests: Wie funktionieren sie eigentlich?
Die meisten von uns hatten vor 2020 keine Ahnung, was ein PCR-Test ist und für was dieser gut sein könnte. Aber spätestens nach dem ersten Abstrich im hinteren Nasenbereich, der gefühlt das Hirn kitzelt, kannte man den Test oder zumindest hatte man das Gefühl, denn eigentlich beschreibt PCR nicht die Probeentnahme, sondern das Verfahren, das danach stattfindet. Dr. phil. nat. Pascal Bittel hat sich freundlicherweise Zeit genommen, BEready zu erklären was eine Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR, ist.
Interview: Franziska Iff
Wie funktioniert denn ein PCR- Test genau?
Der Test hat zum Ziel in einer Probe Erbgutteile, die sogenannte Nukleinsäuren, eines Krankheitserregers (z.B. Virus, Bakterium, Pilz, Parasiten) nachzuweisen. Damit wir dies tun können, werden die Zellen oder Viren, die in der Probe sind, zuerst mit einem chemischen Vorgang aufgebrochen, damit die Nukleinsäuren, die es für den Prozess braucht, freiliegen.
Danach wird die Probe gereinigt. Eine Methode dies zu tun ist der Einsatz von magnetischen Kügelchen, deren Oberfläche so behandelt ist, dass Sie die Nukleinsäure anzieht. Mit einem Magneten zieht man die Kügelchen mit den gebundenen Nukleinsäuren an den Boden des Reaktionsgefässes und kann oben die Verunreinigungen abschöpfen. Nach 2-3 Waschschritten wird die Oberfläche der Kügelchen zerstört. Diese werden dann wiederum mit dem Magnet nach unten gezogen und obendrüber bleibt die gereinigte Probe mit den Nukleinsäuren, das sogenannte “Eluat”.
Zu diesem gereinigten Nukleinsäure”misch-masch” gibt man nun (künstlich hergestellte) pathogenspezifische Basensequenzen, die sog. “Primer” und erzeugt mittels Veränderung der Temperatur eine Kettenreaktion, welche eine Verdopplung eines kurzen Abschnitts der Pathogen-Nukleinsäuren (aber nicht der ebenfalls vorhandenen menschlichen Nukleinsäuren oder auch anderen vorhandenen Nukleinsäuresträngen) zur Folge hat. Dieser Vorgang, die eigentliche PCR, ist komplex. Vereinfacht erklärt sind die Nukleinsäuren die Schlüssellöcher in der die Basensequenzen (Primer) als Schlüssel funktionieren. Zwischen zwei Schlüsseln (Primern) entsteht nun eine Verbindung, welche dann wieder geteilt wird und dadurch entsteht eine exakte Kopie welche als neue Andockstelle für eine erneute Verbindung. Dieser Prozess des Kopierens erfolgt exponentiell, das heisst aus 1 werden 2, werden 4, werden 8 etc. “neue" Andockstellen. Dieser Prozess wird durch ein Enzym, die sogenannte Polymerase, gesteuert. Je mehr Material eines Pathogens vorhanden ist desto schneller erreicht man durch den Verdopplungsvorgang eine Menge an Nukleinsäurekopien, welche die Detektionsmaschine erkennen kann. Je nach Technik der Maschine und Eigenschaften der Polymerase benötigt dies maximal 45 Zyklen und dauert von 15 Minuten bis zu 2 Stunden.
Auf was muss man bei einer Probeentnahme achten?
So simpel es tönt, aber man muss die Entnahme am richtigen Ort machen. Für respiratorische Erkrankungen ist es der Nasenrachenraum. Idealerweise ist das Teststäbchen gut befeuchtet, aber ohne Schleim und Popel. Wenn man an der Nasenwand entlang schabt, hat es meistens genügend Zellen für die Analyse. In Kürze wird eine Studie veröffentlicht, die zeigt, dass ein gut gemachter Abstrich im Nasenraum Resultate liefert, die praktisch gleich gut sind, wie wenn man ganz hinten im Rachenraum das «Hirn kitzelt».
Welche Krankheiten können wir alle mit einem PCR-Test testen?
Wenn man die zu den Pathogenen gehörenden Basen hat, kann man alle viralen Erkrankungen testen. Mit PCR-Tests können wir Infektionskrankheiten nachweisen aber nicht nur! Im Falle von Infektionskrankheiten suchen wir gezielt nach dem Vorhandensein von Erbgut eines bestimmten Krankheitserregers. So können zum Beispiel Viren wie Influenza, SARS-CoV-2, HIV oder Hepatitisviren, Bakterien wie Chlamydien, Tuberkuloseerreger oder Salmonellen und auch bestimmte Pilze und Parasiten gesucht und gefunden werden. Wichtig ist: Es gibt nicht einen "generellen" PCR-Test, der alle Infektionen erkennt. Für jeden Erreger muss man genau wissen, wonach der Test (das "System") suchen soll.
Manche PCR-Tests können aber gleichzeitig nach vielen verschiedenen Erregern suchen. Dies nennt man dann sogenannte "Multiplex-PCRs". Aber das ist ein anderes Thema...
Die PCR-Technologie wird ausserdem in anderen Bereichen verwendet, wie für das Auffinden von genetischen (Erb-)Erkrankungen, in der Krebsdiagnostik oder zum Beispiel zum Auffinden von Nukleinsäureabschnitten (Gene) welche beispielsweise Antibiotikaresistenzen in Bakterien vermitteln. Für die medizinische Diagnostik ist die PCR-Technik heute unverzichtbar, weil sie Infektionserreger (und andere genetisch basierte Informationen) oft sehr empfindlich ("sensitiv") und genau ("spezifisch") nachweisen kann.