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Corona-Massentest

Neuer Corona-Test: Das LAMP-Seq-Verfahren

In der aktuellen Covid-19-Pandemie ruhen derzeit viele Hoffnungen auf der gerade gestarteten Impf-Kampagne. Parallel zur Impfung bleibt die Testung der Bevölkerung weiterhin von großer Bedeutung. Regelmäßig weisen das deutsche Robert-Koch-Institut und die internationale WHO auf den hohen Stellenwert von Tests als Teil einer Gesamtstrategie zur Eindämmung der Pandemie hin. Sowohl das Wissen um die Zahl der mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 Infizierten als auch die regionale Verteilung von Neuerkrankten ermöglichen ein besseres Lagebild und sind so eine wesentliche Entscheidungsgrundlage für mögliche Maßnahmen, um Infektionsketten zu unterbrechen und die Pandemie einzudämmen.

Seit Ausbruch der Pandemie Anfang des Jahres 2020 wird die RT-qPCR-Methode als Standardverfahren bei der Testung auf das Coronavirus SARS-CoV-2 eingesetzt.

Aktuell werden in Deutschland über 1 Millionen Tests pro Woche mit diesem Verfahren analysiert. Dabei operieren die vorhanden qPCR-Maschinen nahe der Vollauslastung und auch die Labore arbeiten an ihren Kapazitätsgrenzen. Mit immer weiter steigenden Infektionszahlen und den vermehrten Lockdown-Maßnahmen wird auch der Ruf nach alternativen Testverfahren lauter, um die Pandemie in den Griff zu bekommen. Ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern*innen hat am Universitätsklinikums Bonn nun ein Verfahren entwickelt, mit dem die derzeitigen Testkapazitäten deutlich gesteigert werden kann. Dieser neue Corona-Test mit der Bezeichnung "LAMP-Seq" setzt auf den Einsatz von Sequenziertechnologie, die es ermöglicht in einem einzigen Labor mehrere Tausend Proben pro Tag zu analysieren. Im Folgenden wird dieses neue Massentest-Verfahren näher erläutert und die wesentlichen Fragen dazu beantwortet.


Wie funktioniert der Corona-Test mit dem LAMP-Seq-Verfahren?
LAMP-Seq ist ein molekularbiologisches Verfahren, mit dem das Coronavirus direkt nachgewiesen werden kann. Es stellt eine Alternative zum derzeitigen Standardverfahren mit der RT-qPCR-Methode dar. Durch die eingesetzte Technologie hat das LAMP-Seq-Verfahren einen wesentlichen höheren Durchsatz als die RT-qPCR-Methode, wodurch die Zahl der Corona-Tests um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Möglich wird dies durch den Einsatz von Hochdurchsatz-Sequenziermaschinen, die in der Regel in der Forschung zur Humangenetik eingesetzt werden.
Das LAMP-Seq-Verfahren besteht aus zwei Teilen: im ersten Schritt - dem LAMP-Teil (Loop-mediated Isothermal Amplification) - wird das vorhandene Virusgenom vervielfältigt. Im zweiten Schritt wird dann eine große Anzahl von Proben (technisch möglich sind bis zu 100.000 Proben) mithilfe von Hochdurchsatz-Sequenziermaschinen analysiert. Ermöglicht wird dieses Verfahren durch eine Erfindung des Bonner Wissenschaftlers Jonathan Schmid-Burgk. Bevor tausende Proben gepoolt und in einem Sequenzierzyklus analysiert werden, wird in jede einzelne Probe ein Molekül („Barcode“) eingebaut. Dieser Barcode sorgt dafür, dass jede Probe auch nach dem Pooling vieler tausender Proben zu jeder Zeit zweifelsfrei zugeordnet werden kann. Durch diese Technologie wird das LAMP-Seq-Verfahren zu einem skalierbaren Corona-Massentest.

Wie werde ich über das Test-Ergebnis informiert?
Alle positiv getesteten Mitarbeiter*innen werden telefonisch durch das Studienteam informiert. Ebenfalls erfolgt die bei positiven Tests obligatorische Meldung an das Gesundheitsamt der Stadt Bonn, sowie an die Krankenhaushygiene des UKB.
Sofern innerhalb von 48 Stunden nach dem Test keine Mitteilung an Sie ergangen ist, gilt Ihr Test als negativ. Sie haben außerdem jederzeit die Möglichkeit, den technischen Status Ihres Tests abzufragen. Hierfür müssen Sie den QR-Barcode mit der Kamera Ihres Handys einscannen, anschließend werden Sie automatisch auf die entsprechende Seite weitergeleitet.

Warum findet die Testung im Rahmen einer wissenschaftlichen Studie statt?
Der Coronatest mit dem LAMP-Seq-Verfahren ist wissenschaftlich vollständig validiert und die dem LAMP-Seq-Verfahren zugrundeliegende Technologie ist ausentwickelt.
Die größte Herausforderung stellt der gesamte Workflow um den eigentlichen Test herum dar.
Um genau diese Workflows und die gesamte Logistik bei hohen Abstrichzahlen final testen und optimieren zu können, haben die Wissenschaftler*innen nun eine große Studie innerhalb des UKB initiiert, die dabei helfen wird, den neuen Coronatest "LAMP-Seq" endgültig massenkompatibel zu machen.

Wer kann an der Studie bzw. der Testung mit dem neuen Corona-Test teilnehmen?
Alle Mitarbeiter*innen des UKB sowie dessen Tochtergesellschaften können an der Studie bzw. an der Testung teilnehmen.

Entstehen den Mitarbeitern*innen durch den Test irgendwelche Kosten?
Nein, die Studien-Teilnahme bzw. Testung mit dem neuen Corona-Test LAMP-Seq ist kostenlos.

Mit welcher Abstrich-Methode arbeitet das LAMP-Seq-Verfahren?
Bei dem Corona-Test mit dem LAMP-Seq-Verfahren wird ein Rachenabstrichen vorgenommen.

Was ist der Unterschied zwischen dem bestehenden Abstrichzentrum des medizinischen Dienstes und dem neuen Abstrichzentrum für den LAMP-Seq-Test?
Das neue Abstrichzentrum im Life&Brain-Gebäude wird ausschließlich für Abstriche im Rahmen der wissenschaftlichen Studie genutzt. Hier sollen asymptomatische Mitarbeitern*innen mit dem neuen Corona-Test LAMP-Seq systematisch getestet werden. Der Fokus liegt dabei auf dem flächendeckenden Screening von großen Mitarbeiterzahlen.
Das bereits bestehende und bewährte Abstrichzentrum des Betriebsärztlichen Dienstes wird selbstverständlich fortgeführt. Es steht allen Mitarbeitern*innen auch weiterhin zu den gewohnten Zeiten insbesondere für die diagnostische Testung zur Verfügung.

Welche Vorteile hat das LAMP-Seq-Verfahren?
Der wesentliche Vorteil des LAMP-Seq-Verfahrens liegt in der Skalierbarkeit der Testung. Durch den Einsatz der LAMP-Seq-Technik kann die Zahl der Corona-Tests im Vergleich zur derzeit verwendeten RT-qPCR-Methode deutlich gesteigert werden. Möglich macht dies die gleichzeitige Analyse vieler Proben in Hochdurchsatz-Sequenziermaschinen.

Was ist der Unterschied zwischen LAMP-Seq und RT-qPCR?
Genau wie die RT-qPCR-Methode basiert auch das LAMP-Seq-Verfahren auf dem Nachweis der Nukleinsäure des Coronavirus in der jeweiligen Probe. Dazu wird in beiden Verfahren die DNA des Virusgenoms in einem ersten Schritt vervielfältigt. Bei der RT-qPCR-Methode erfolgt dies durch die PCR (Polymerase Kettenreaktion), bei LAMP-Seq durch die LAMP (Loop-mediated Isothermal Amplification). Im zweiten Schritt erfolgt dann die Detektion bzw. Messung des Coronavirus. An dieser Stelle unterscheiden sich beide Verfahren nun ganz wesentlich. Die RT-qPCR-Methode basiert auf optischen Geräten, sogenannten qPCR-Cyclern. Die Nachfrage nach diesen Maschinen übersteigt das Angebot derzeit deutlich und die Hersteller können diese Nachfrage nicht ausreichend bedienen. Das LAMP-Seq-Verfahren hingegen nutzt für die Detektion des Coronavirus Hochdurchsatz-Sequenziermaschinen. Dies hat gleich zwei Vorteile: zum einen sind schon Sequenziermaschinen mittlerer Größe in der Lage 100.000 Proben täglich zu analysieren. Zum anderen kann dabei auf eine bereits jetzt vorhandene Infrastruktur zurückgegriffen werden, da in Deutschland derzeit mehr als 200 solcher Sequenziermaschinen vorhanden sind. Aus diesem Grund ist das LAMP-Seq-Verfahren ideal für hohe Testdurchsätze geeignet und bietet die Möglichkeit eine systematische und präventive Massentestung zu etablieren. Die Bedingung für den Einsatz der Sequenziertechnik - und damit ein weiterer Unterschied zwischen RT-qPCR und LAMP-Seq - ist der Einbau eines molekularen Barcodes in jede einzelne Probe.
Um einen höheren Durchsatz zu erzielen, werden beim RT-qPCR-Verfahren häufig Proben gepoolt. Das bedeutet, dass beispielsweise zehn Proben gemischt und anschließend gemeinsam analysiert werden. Erhält man ein negatives Ergebnis sind alle zehn Proben negativ. Bei einem positiven Testergebnis müssen alle Proben aus dem Pool jedoch nachgetestet werden, um festzustellen, welche der Proben nun positiv ist. Genau diese aufwendige Nachtestung entfällt beim LAMP-Seq-Verfahren. Zwar findet auch hier ein Pooling der Proben statt – und dieses Pooling kann mehrere Tausend Proben umfassen – doch durch den vor der Testung eingebauten Barcode kann jede Probe während und nach der Analyse durch die Sequenziermaschine zweifelsfrei identifiziert und zugeordnet werden.
Weitere Vorteile der LAMP-Seq-Methode gegenüber dem RT-qPCR-Verfahren ist die nicht notwendige RNA-Extrahierung und Anreicherung des Virusgenoms sowie die Amplifizierung bei einer gleichbleibenden Temperatur.

Was ist der Unterschied zwischen LAMP-Seq und den Antigen- bzw. Schnelltests?
Während bei den Verfahren RT-qPCR und LAMP-Seq das Erbgut des Virus direkt nachgewiesen wird, basieren die Antigen-(Schnell-)Tests auf dem Nachweis von Virus-Proteinen auf der Virushülle. Neben diesem grundsätzlichen Unterschied lassen sich das LAMP-Seq-Verfahren und die Antigentests mit zwei wesentlichen Faktoren vergleichen.
Zunächst muss die Genauigkeit der Testergebnisse von LAMP-Seq und den Antigentests verglichen werde. Dabei werden die großen Unterschiede zwischen den beiden Verfahren schnell deutlich. Als zweites gilt es die Geschwindigkeit beider Tests zu vergleichen. Antigentests werden häufig auch synonym als Schnelltests bezeichnet. Genau in dieser Beschreibung wird der Vorteil dieses Testverfahrens deutlich. Viele der angebotenen Schnelltests liefern bereits nach weniger als einer Stunde ein Testergebnis. Das LAMP-Seq-verfahren hingegen ist wegen seiner mehrstündigen Probenanalyse explizit kein Schnelltest. Diese beiden Faktoren (Genauigkeit und Geschwindigkeit) machen deutlich, dass beide Testverfahren unterschiedlichen Anwendungsbereiche haben.
Ist die schnelle Testung von (symptomatischen) Personen notwendig - zum Beispiel in der Ambulanz eines Krankenhauses oder an der Pforte eines Alten- oder Pflegeheims – ist der Antigentest wegen seiner kurzen Analysezeit im Vorteil. Ein Antigentest liefert in diesem Fall eine „erste schnelle Entscheidungsfindung“. Die geringere Aussagekraft (niedrigere Sensitivität; nicht jede Viruslast wird erkannt) wird an dieser Stelle bewusst in Kauf genommen und ggf. durch häufigere Testungen versucht auszugleichen. Während mit dem Antigentest also eine diagnostische Testung von symptomatischen Personen möglich und sinnvoll ist, scheidet dieses Verfahren für eine massenhafte Präventivtestung aus. Denn diese Art der Testung verlangt eine hohe Sensitivität, die die Antigentests im Gegensatz zur RT-qPCR- oder LAMP-Seq-Methode (derzeit noch) nicht liefern können. Hier ist das LAMP-Seq-Verfahren daher klar im Vorteil.

Was sind also die primären Anwendungsgebiete von LAMP-Seq?
Jedes Testverfahren hat Stärken und Schwächen. Bei der Konzeption einer Teststrategie muss daher die Frage gestellt werden: Was ist das Ziel der Testung? Erst danach kann die Entscheidung für ein Testverfahren getroffen werden. Das LAMP-Seq-Verfahren hat zwei wesentliche Vorteile im direkten Vergleich mit den anderen Testmethoden:
- Höhere Sensitivität und Spezifität sowie höherer Durchsatz als die Antigentests
- Vergleichbare Sensitivität und Spezifität, aber zusätzlich höherer Durchsatz als die RT-PCR-Tests
Mit diesen Eigenschaften spielt das LAMP-Seq-Verfahren seine Stärke dann aus, wenn eine große Zahl an Tests mit hoher Sensitivität benötigt wird. Den größten Nutzen entfaltete das LAMP-Seq-Verfahren in der derzeitigen Pandemie daher als präventiver Massentest. Dabei geht es um das regelmäßige und systematische Testen („Surveillance“) von großen Personengruppen. Dies betrifft z.B. Schulen, Kindergärten, Unternehmen, Alten- und Pflegeheime und andere Organisationsformen, in denen sich viele Menschen im Alltag begegnen.
Ein mögliches Szenario wäre z.B. die systematische Testung einer Schule am Vor- und Nachmittag mit anschließender Analyse der genommenen Abstriche in der Nacht, so dass am nächsten Morgen vor Schulbeginn die entsprechenden Testergebnisse vorliegen.

Wie hoch ist die Kapazität von LAMP-Seq?
Die technisch möglichen Test-Kapazitäten des LAMP-Seq-Verfahrens sind um ein Vielfaches höher als die der aktuell genutzten RT-qPCR-Methode. Dies liegt an den Maschinen, die für die Proben-Analyse verwendet werden. Während die RT-qPCR-Methode auf sogenannte qPCR-Cycler angewiesen ist, basiert das LAMP-Seq-Verfahren auf Sequenziermaschinen. Diese Sequenziermaschinen werden in der Regel für humangenetische Studien eingesetzt. Bereits kleine Sequenziermaschinen, von denen in Deutschland aktuell mehrerer Hundert vorhanden sind, können in einem zehnstündigen Lauf rund 100.000 Proben testen. Mit den in Deutschland vorhandenen Sequenziermaschinen könnten demnach mehrere Millionen Tests pro Tag analysiert werden. Diese Zahlen machen schnell deutlich, dass die Testkapazität beim LAMP-Seq-Verfahren nicht durch die technische Analyse der Proben begrenzt wird.
Der entscheidende Faktor ist daher vielmehr die vorgelagerte Logistik. Insbesondere die Probenentnahme, die Erfassung der persönlichen Daten der Patienten, der Transport der genommenen Proben in das Labor und die dortige Probenvorbereitung bilden den Flaschenhals im LAMP-Seq-Verfahren.

Wie lange dauert die Analyse der Proben mit dem LAMP-Seq-Verfahren?
Die Analyse der Abstriche durch ein Sequenziermaschine dauert etwa 6-10 Stunden. Die Zahl der zu analysierenden Proben hat keine Auswirkungen auf die Dauer des Runs. Egal ob die Sequenziermaschine 1.000 oder 20.000 Proben analysiert – die Dauer bleibt die Gleiche. Hinzu kommt der eigentliche Abstrichprozess, der Transport ins Labor sowie die Probenvorbereitung. In der Regel liegt das Ergebnis 24 Stunden nach dem Abstrich beim Patienten vor. Damit bewegt sich LAMP-Seq in einem ähnlichen Zeitumfang wie die qPCR-Methode.

Wer hat den LAMP-Seq-Test erfunden und entwickelt?
Das LAMP-Seq-Verfahren wurde federführend von dem Bonner Wissenschaftler Prof. Dr. Jonathan Schmid-Burgk entwickelt. Der 34jährige Immun-Genetiker leitet die Arbeitsgruppe für „Functional Immunogenomics“ am Institut für Klinische Chemie und Klinische Pharmakologie des Universitätsklinikums Bonn. Schwerpunkt seiner Forschung ist das komplexe Zusammenspiel zwischen Genen und dem Immunsystem.
Nach seinem Studium der „Molekularen Biomedizin“ an der Universität Bonn, promovierte Jonathan Schmid-Burgk am Lehrstuhl von Professor Dr. Veit Hornung. Für seine Dissertation zum Thema „Hochdurchsatz-Genomeditierung in Zellen des angeborenen Immunsystems“ erhielt er 2017 den Promotionspreis der Universitätsgesellschaft Bonn.
Anschließend wechselte Schmid-Burgk Broad nach Cambridge (Massachusetts / USA), wo er am Broad Institute der beiden Universitäten MIT und Harvard dreieinhalb Jahre als Postdoctoral Researcher forschte. Anfang des Jahres 2020 folgte er dann dem Ruf einer W2-Professur in Bonn.
Während der Entwicklung des molekularbiologischen Verfahrens LAMP-Seq arbeitete Jonathan Schmid-Burgk eng mit Dr. Kerstin Ludwig vom Institut für Humangenetik, Dr. Dr. Ricarda Schmitthausen vom Institut für Hygiene und Öffentliche Gesundheit und Dr. Per Hofmann vom Institut für Humangenetik der Universität Bonn zusammen.
Gemeinsam gelang es dem Team in kurzer Zeit Infrastruktur und Logistik für das Verfahren zu entwickeln und so LAMP-Seq zu einem skalierbaren Massentest auszubauen. Unterstützt wurde das Forscher-Team von Prof. Dr. Markus Nöthen, Prof. Dr. Gunther Hartmann und Prof. Dr. Martin Exner.

Wer ist Ansprechpartner bei eventuellen Rückfragen?
LAMP-Seq-Massentest im Uniklinikum Bonn
info@ukb-test.de
Tel.: 0228 / 287-51651


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