In Deutschland ist eine turnusmäßige Untersuchung auf Legionellen in Trinkwasser­installationen verpflichtend. Mit der bisherigen Legionellen-Analyse im Labor stehen die Ergebnisse jedoch erst nach zwei bis drei Wochen zur Verfügung – ein langer Zeitraum, in dem Unklarheit über den Befall des Systems besteht. Zudem schreiben die Verordnungen nur die Bestimmung der Legionellen-Gesamtkonzentration vor. Eine zweite Messung wird erst bei starker Kontamination verpflichtend, in der dann eine Typisierung auf epidemiologisch relevante Unterarten wie Legionella pneumophila, Serogruppe 1, dem Hauptauslöser der Legionärskrankheit vorgenommen wird. 

Um diese Kontrolllücke zu schließen, soll im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt »LEGIOPLAS« ein mobiles Messsystem zum Schnellnachweis von Legionellen direkt an der Trinkwasserinstallation und damit ohne Zeitverzug entwickelt und unter praxisnahen Bedingungen erprobt werden.

Das im Oktober 2021 gestartete »LEGIOPLAS«-Vorhaben basiert auf einer wesentlichen Weiterentwicklung der Oberflächenplasmonresonanz-(SPR)-Spektroskopie hin zu einer robusten, zuverlässigen und miniaturisierten Vor-Ort-Spektroskopie.

Gegenüber gewöhnlichen plasmonischen Sensoren nutzt das mobile Messsystem eine nanostrukturierte metallische Sensoroberfläche, an welche Legionellen spezifisch über Fängermoleküle (Aptamere) nach dem »Schlüssel-Schloss-Prinzip« anbinden können. Im Zuge des Bindungsvorgangs ändern sich die optischen Eigenschaften der Sensoroberfläche, die mit einem optoelektronischen Detektionssystem permanent abgefragt wird. Eine Änderung des optischen Verhaltens, z. B. im Transmissionssignal, verrät so spezifisch die Präsenz von Legionellen.

Eine wesentliche Innovation des Projektes besteht darin, Aptamere in Form von nur wenige 10 nm langen, dreidimensional gefalteten DNA-Strängen als molekulare Erkennungsstrukturen zu entwickeln und einzusetzen. So lassen sich Legionellen im Allgemeinen (Legionella species pluralis) und einzelne Subtypen wie Legionella pneumophila, Serogruppe 1, im Speziellen erfassen. Diese Unterscheidung ist bisher mit kommerziell erhältlichen Antikörpern nicht möglich.

Eine weitere Voraussetzung für eine zuverlässige Funktion ist die Optimierung des Detektionssystems auf Basis einer gestapelten Photodiode. Mit dieser wird der Biosensorchip in einem tragbaren Messsystem mit einer automatischen Fluidsteuerung und einer miniaturisierten Signalerfassung integriert.

Damit wird es möglich, einen Schnellnachweis von Legionellen – inkl. relevantem Subtyp – an der Trinkwasserinstallation durchzuführen und sofort eine Aussage über die Legionellen-Belastung und das Vorkommen krankheitsassoziierter Legionellen zu treffen und bei Bedarf ohne Zeitverzug Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Sicherung einer verlässlichen und bezahlbaren Trinkwasserversorgung und zur Gesundheitsvorsorge.

Der LEGIOPLAS-Verbund (Kompletter Projekttitel: »Mobiles Messsystem mit plasmonischem Aptamer-Sensorchip für die Vor-Ort-Analyse der Legionellen-Belastung an Trinkwasser­in­stal­la­tionen«) wird über drei Jahre bis voraussichtlich Ende September 2024 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative »Photonische Verfahren zur Erkennung und Bekämpfung mikrobieller Belastungen« im Förderprogramm »Photonik Forschung Deutschland« gefördert. Projektpartner sind die ECH Elektrochemie Halle GmbH, die PREMA Semiconductor GmbH, die GeSiM Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH, die Dresden Elektronik Ingenieurtechnik GmbH, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie mit dem Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB sowie das Konsiliarlabor für Legionellen im Institut für Medizinische Mikrobiologie und Virologie am Universitätsklinikum »Carl Gustav Carus« Dresden.