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Simulationsprogramm zur grafischen Darstellung von Viruslast

Gentechnologie-Projektarbeit im Studiengang „Medizintechnik“: Wie stark ist die Erkrankung?
 

Die Polymerase-Kettenreaktion (englisch polymerase chain reaction, PCR) ist eine Methode, um Erbsubstanz (DNA) in vitro, also außerhalb des lebenden Organismus, zu vervielfältigen. Die quantitative Echtzeit-PCR (qPCR) ist ein Verfahren, das über diese Vervielfältigung hinaus auch die Quantifizierung von DNA ermöglicht. Mit dieser Methode lässt sich das Vorkommen einer bestimmten Gensequenz in einer Probe quantifizieren und sie wird deshalb auch diagnostisch genutzt, um beispielsweise eine Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus nachzuweisen. Um diese Methode nicht nur nachvollziehbar, sondern auch optisch sichtbar werden zu lassen, haben zwei Studierende des Bachelorstudiengangs „Medizintechnik“ der Hochschule Pforzheim nun ein entsprechendes Simulationsprogramm entwickelt. Im Rahmen ihrer Projektarbeit „Simulierte Zunahme der DNA in einer qPCR“ haben Yana Bulkotina und Dominik Wurster die grafische Darstellung synthetisierter DNA-Moleküle in einer quantitativen PCR realisiert: „Wie eine qPCR abläuft, welche Parameter den Reaktionsablauf wie beeinflussen, ist entweder schwierig verständlich, wenn der Vorgang rein theoretisch betrachtet wird, oder aber mit hohem Aufwand bei praktischen Versuchen verbunden“, so die Studierenden. „Wir wollten ein einfaches Tool schaffen, das die DNA-Zunahme aufzeigt und den dahinterliegenden Prozess leicht verständlich macht.“ Von diesem Ergebnis, so Betreuer Professor Dr. rer. nat. Tobias Preckel, werden auch nachfolgende Studierendengenerationen der Pforzheimer Fakultät für Technik noch profitieren: „Ich werde das Programm zukünftig in der Vorlesung als Demonstrator nutzen. Entstanden ist hier ein wirklich hilfreiches Werkzeug zur Vermittlung der Funktionsweise einer zentralen diagnostischen Methode, die in vielen Laboren weltweit genutzt wird“, so der Pforzheimer Professor. Vor allem aktuell sei es außerdem ein interessanter Aspekt, dass das Programm auch genutzt werden könne, um COVID-19-Testergebnisse bei unterschiedlicher Viruslast des Patienten zu simulieren.

Von links nach rechts: Max Barchet, Dozent an der Hochschule Pforzheim, Professor Tobias Preckel, Yana Bulkotina und Dominik Wurster im Analytiklabor des Bachelorstudiengangs „Medizintechnik“ auf dem Campus der Fakultät für Technik. (Foto: Sophia Zundel)

Im Rahmen der quantitativen PCR-Methode wird DNA zusammen mit Vermehrungs-Enzymen und -Bausteinen in ein Reaktionsgefäß gegeben. Dieser Molekül-Mix wird in einem Thermocycler, einem Gerät das automatisch die Temperatur verändern kann, sowohl erhitzt als auch abgekühlt. Zur Detektion der entstandenen synthetischen DNA wird der Thermocycler mit einem Spektrometer verbunden und die Moleküle optisch mittels Fluoreszenz detektiert: Das ausgelesene Signal wird am Computer als Kurve angezeigt. Dabei ist besonders der sogenannte Ct-Wert interessant. „Der Ct-Wert bezeichnet die Zahl der Zyklen (Cycle Threshold = Zyklus Schwellenwert), die eine PCR gelaufen ist, bevor die Fluoreszenz detektierbar wird. Ein hoher Ct-Wert steht für eine geringe Zahl an Viren im Ausgangsmaterial der PCR“, gibt Tobias Preckel einen vereinfachten Einblick. 

Durch den demografischen Wandel, das verstärkte Gesundheitsbewusstsein und den medizinisch-technischen Fortschritt ist die Medizintechnik-Branche seit Jahren im Aufwind. In der Übersicht der Bundesländer nimmt Baden-Württemberg die Position als führender Medizintechnik-Standort Deutschlands ein. Auf diesen Aufwärtstrend hat die Hochschule Pforzheim mit der Einrichtung des Bachelorstudiengangs „Medizintechnik“ reagiert. Dieser wurde in enger Abstimmung mit Medizintechnik-Unternehmen der Region konzipiert und ging im Wintersemester 2012/2013 an den Start. 2019 erfolgte die Eröffnung des Analytiklabors auf dem Pforzheimer Campus: Auf 123 Quadratmetern macht das neue Raumangebot biochemische Analytik und molekulare Diagnostik erleb- und begreifbar. Verwendete Geräte und Chemikalien spiegeln Teile der Grundausstattung sowie die Vorgehensweise in einem bioanalytischen Forschungslabor wider. Der Bachelorstudiengang „Medizintechnik“, so Laborleiter Tobias Preckel, fokussiere die Wachstumsbereiche Gerätetechnik, Informatik und Molekulare Diagnostik. „Dass wir neben den ingenieurwissenschaftlichen Inhalten den molekularen Aspekt der Medizintechnik in den Fokus rücken, unterscheidet unseren Studiengang von vielen anderen medizintechnischen Studiengängen. Dieses Pforzheimer Alleinstellungsmerkmal bereitet unsere Studierenden in enger Abstimmung mit wissenschaftlichen Erkenntnissen sowie den Anforderungen des Marktes optimal auf ihre berufliche Zukunft vor“, so Tobias Preckel.