Honigbienenbasierte SARS-CoV-2-Diagnostik

In einer kürzlich veröffentlichten Studie Biologie geöffnet Forscher zeigten, dass Honigbienen konditioniert werden können, um mit dem schweren akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus (SARS-CoV-2) infizierte Proben zu erkennen.

Studien: Bienen können darauf trainiert werden, SARS-CoV-2-infizierte Proben zu identifizieren. Bildnachweis: Vera Larina / Shutterstock

Hintergrund

Die SARS-CoV-2-Pandemie hat deutlich gemacht, wie wichtig es ist, genaue und schnelle Diagnoseverfahren für zoonotische, neue Viruserkrankungen sowohl bei Tieren als auch bei Menschen zu entwickeln. Pathologien verursachen messbare Veränderungen im Muster flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) eines Tieres, die verfolgt und verwendet werden können, um eine schnelle Diagnose auf VOC-Basis zu erstellen.

VOCs enthalten einen olfaktorischen Fingerabdruck, der für jede Person einzigartig ist, basierend auf Geschlecht, Alter, genetischem Hintergrund, Stoffwechselbedingungen und Ernährung. Durch die Analyse dieses Geruchsfingerabdrucks könnte der Gesundheitszustand einer Person bestimmt werden. Infolgedessen wurde die VOC-Untersuchung für die Krankheitsdiagnostik bei Menschen / Tieren eingesetzt, häufig durch Kot- und Atemanalyse.

Nach früheren Untersuchungen können Tiere Unterschiede in VOCs identifizieren, die von gesunden Tieren / Menschen und solchen mit einer SARS-CoV-2-Infektion auf individueller Ebene freigesetzt werden. Hunde wurden darauf trainiert, Menschen mit und ohne CoV-Erkrankung 2019 (COVID-19) mit hoher diagnostischer Sensitivität und Spezifität zu unterscheiden. Dennoch könnten Honigbienen aufgrund ihrer minimalen Wartungs- und Verfügbarkeitskosten eine praktikable Alternative zu Hunden zum Nachweis einer SARS-CoV-2-Infektion sein.

Über das Studium

Das Ziel der vorliegenden Forschung war es zu analysieren, wie effektiv trainierte Bienen beim Nachweis von Tierproben mit einer SARS-CoV-2-Infektion waren. Die Autoren verwendeten Pawlowsche Konditionierungsmethoden, um erfolgreich zu konditionieren Apis mellifera (Honigbienen) zur Identifizierung von SARS-CoV-2-Infizierten Neovison-Vision (Nerze). Die Forscher gaben an, dass Bienen leicht darauf trainiert werden könnten, nur auf die Gerüche von SARS-CoV-2-infizierten Nerzen zu reagieren, und daher einen breiteren diagnostischen Ansatz für COVID-19 bieten könnten.

Das Team verglich die Wirksamkeit von zwei unterschiedlichen Trainingsmethoden zur Analyse der Genauigkeit, Gedächtnisleistung und Lernrate der Bienen. Sie entwickelten einen nicht-invasiven Schnelltest, bei dem zahlreiche Bienen dieselben Proben gemeinsam testen, um genaue Informationen über den Gesundheitszustand einer Testperson zu erhalten.

Bild des Konditionierungsverfahrens während Protokoll 1. Eine einzelne Honigbiene, die in unserem maßgeschneiderten Bienenhalter eingespannt ist.  Die Biene wurde gerade einer positiven Probe ausgesetzt und mit einem in Zuckerwasser getränkten Holzstab versehen, der sie dazu veranlasst hat, den PER auszudrücken.

Bild des Konditionierungsverfahrens während Protokoll 1. Eine einzelne Honigbiene, die in unserem maßgeschneiderten Bienenhalter eingespannt ist. Die Biene wurde gerade einer positiven Probe ausgesetzt und mit einem in Zuckerwasser getränkten Holzstab versehen, der sie dazu veranlasst hat, den PER auszudrücken.

Die Forscher simulierten einen diagnostischen Bewertungsversuch unter Verwendung der aus den Trainingsstudien abgeleiteten Informationen, um die wahrscheinliche Wirksamkeit des diagnostischen Tests vorherzusagen. Sie verwendeten ein verallgemeinertes lineares gemischtes Modell (GLMM), um die Lernkurve der Bienen während der Konditionierung in zwei Protokollen zu bewerten. In beiden Protokollen untersuchten sie den Erinnerungsrückruf der Bienen eine Stunde nach der Konditionierungsphase. Jede Biene wurde auf drei verschiedene Gerüche getestet: Gerüche von neu-gesunden, alt-SARS-CoV-2-infizierten und neu-infizierten Proben von Nerzen.

Die Forscher analysierten auch den Anteil der Bienen mit Rüsselverlängerungsreflex (PER) basierend auf den Zyklusschwellenwerten (Ct) der infizierten Proben. Sie untersuchten die Verteilung simulierter diagnostischer Ergebnisse mit einem Cluster von 10 Bienen als diagnostisches Instrument pro Probe.

Ergebnisse

Den Ergebnissen zufolge konnten die Honigbienen anhand von Geruchsunterschieden zwischen SARS-CoV-2-infizierten und nicht infizierten Proben unterscheiden. Die Bienen unterschieden zwischen Proben von gesunden Personen und solchen von COVID-19-Patienten. Obwohl die Fähigkeit der Bienen, zwischen einer und 24 Stunden nach dem Training zwischen neuinfizierten und nicht infizierten Proben zu unterscheiden, abnahm, stellten die Wissenschaftler fest, dass sie dies auch einen Tag später noch konnten.

Darüber hinaus hatte die SARS-CoV-2-Probenbelastung, die durch Ct-Werte angezeigt wurde, keinen Einfluss auf die Fähigkeit der Bienen, eine COVID-19-positive Probe zu erkennen. Bienen waren genauso gut darin, Proben mit höheren Ct-Werten zu erkennen, was auf eine reduzierte Viruslast hindeutet, wie solche mit niedrigeren Ct-Werten, die für das Training verwendet wurden. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass Bienen für die COVID-19-Diagnostik mit einer prognostizierten Spezifität und Sensitivität von 86 % bzw. 92 % effizient sein könnten, nachdem sie Simulationen der möglichen klinischen Anwendung der Honigbienen als Screening-Instrument durchgeführt hatten.

Darüber hinaus war Protokoll 1 im Vergleich zu Protokoll 2 kürzer und benötigte keinen unangenehmen unkonditionierten Stimulus (US) und wenige Proben während der Konditionierung, was es zu einer schnelleren Technik zum Trainieren von Bienen machte. Im Gegensatz zu Protokoll 2 führte Protokoll 1 jedoch nicht dazu, dass die Bienen zwischen neu infizierten und neu gesunden Proben unterscheiden konnten, was impliziert, dass das frühere Protokoll effektiver für die Konditionierung von Bienen für das diagnostische SARS-CoV-2-Screening war.

Schlussfolgerungen

Die vorliegende Forschung hob die Screening-Fähigkeit eines auf Honigbienen basierenden Diagnosewerkzeugs für die COVID-19-Diagnose hervor. Darüber hinaus zeigten die Studienergebnisse, dass der entwickelte Honigbienen-basierte Diagnosetest für eine SARS-CoV-2-Infektion eine signifikante diagnostische Spezifität und Sensitivität aufwies.

Nach Ansicht der Autoren könnte die vorliegende Diagnostik auf Basis von Bienen zu einem zuverlässigen und schnellen Test führen, der leicht verfügbar ist und im Vergleich zu derzeit verfügbaren Screening-Techniken einen geringen Aufwand erfordert. Darüber hinaus könnte eine solche diagnostische Analyse in Entwicklungsländern und abgelegenen Gemeinden ohne die für herkömmliche Testverfahren erforderliche Infrastruktur und Ressourcen von besonderer Bedeutung sein.

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